CFRP/金属复合构件连接制孔行为及损伤机理研究

为了省材、减重、节能，飞机制造已较多采用CFRP材料，CFRP构件与金属构件的连接直接影响飞机结构抗疲劳性能与可靠性，孔的质量是保证连接质量的关键问题。CFRP/金属复合构件一体制孔能够保证孔的精确度，减少装配误差，提高加工效率，然而构件材料异性、构件结构构型、刀具经过构件顺序等使得复合构件制孔存在很多难点亟待解决，因此CFRP/金属复合构件制孔技术是飞机制造的一项关键性基础科学问题。本项目通过理论分析、实验研究和计算仿真，揭示CFRP/金属复合构件制孔的钻削机理；揭示构件材质、切削参数、切削力、切削温度等对刀具耐用度的作用机理；揭示切削力、切削热、刀具磨损等与CFRP/金属复合构件损伤和缺陷的关系，建立CFRP/金属复合构件连接制孔行为及损伤机理的理论基础。该项研究不仅补充和丰富了复合材料加工理论和方法，而且对CFRP/金属复合构件在航空领域的安全可靠应用具有重要意义。

本项目以CFRP构件与铝合金/钛合金构件制孔为研究对象，采用“实验研究→模型构建→数值计算与仿真→实验验证与模型修正”的研究方法，在CFRP/金属复合构件连接制孔行为、刀具磨损失效、缺陷产生机理和控制方法方面开展了研究，建立了 CFRP构件与铝合金构件连接制孔的理论与方法。. 完成的主要研究工作有：完成了CFRP/金属合金叠层复合构件制孔研究方案，构建了CFRP/金属合金叠层复合构件制孔试验平台；开展了CFRP/铝合金复合构件连接制孔行为实验研究，分析了钻削过程中切削力变化规律，获得了CFRP出口缺陷产生机理，并分析了钻削参数对叠层复合构件钻削力的影响；基于Abaqus和Deform开展了CFRP/铝合金复合构件制孔切削力仿真，研究了制孔过程中孔周应力、温度的分布规律，分析了不同钻削参数下的钻削力、温度的变化趋势，与实验结果相互验证；分别基于多元回归分析、ANFIS系统预测、力学理论三种方法建立了CFRP钻削力模型；完成了叠层复合结构制孔过程中刀具磨损的实验研究，分析了钻头的磨损形式和磨损位置，再现了钻孔过程中刀具磨损过程；在实验研究所发现规律的基础上，建立了刀具磨损演化预测模型；完成了CFRP/铝合金复合构件制孔分层抑制研究，考虑钻削方向和边界条件，分别建立了复合材料钻削出口分层临界轴向力模型，为钻削缺陷抑制提供理论基础；设计并研制了超声振动复合钻削装置，并进行了工艺研究，优化了超声振动辅助钻削工艺参数，并将超声振动辅助钻削特性与传统钻削特性进行了对比分析，显示了超声振动辅助钻削在制孔质量和刀具耐磨等方面的优越性。. 本项目完成论文7篇，其中已出版4篇（EI收录2篇），国际期刊在审3篇。授权专利2项，培养硕士生5名，已毕业3人。