基于跨尺度数值仿真的碳纤维增强复合材料(CFRP)结构件钻削损伤机理研究

江苏科技大学

科研启动基金项目申请书

项目名称： 基于跨尺度数值仿真的碳纤维增强复合

材料(CFRP)结构件钻削损伤机理研究

申 请 者：             刘   勇               

所在部门：           机械工程学院            

申请日期：

江苏科技大学人事处

二〇一九年制

 项 目 概 况

项目名称

基于跨尺度数值仿真的碳纤维增强复合

材料结构件钻削损伤机理研究

资助类别

□ 特聘教授        □ 学科（学术）带头人   □ 学术创新团队

□ 海归博士（后）  ■ 国内博士（后）       □ 培养博士（毕业/在读）     

□ 调入人员        □ 年薪制和聘用制人才   □其他

课题性质

 □ 基础研究        ■ 应用基础研究            □ 应用研究

申请经费

3.5万元

起止

年限

2021年01月至2023年12月

 申  请  人

姓  

刘  勇

性别

 男

出生日期

1990.5.27

 学  历

 学  位

博士

 职  称

讲师

所在院系

机械工程学院

进校日期

2020.10.16

电子邮件

202000000126@just.edu.cn

电  话

18851177826

主要研究领域

飞机/船舶装配技术、金属/复合材料切削加工等

项      目      组

项目组

主要成员

姓名

性别

年龄

学历/学位

职称

专业

分工

李倩楠

女

24

本科

学生

机械工程

复合材料结构件渐进失效建模

一、立项依据（重点介绍申请项目的研究意义、国内外研究现状、发展趋势，并附主要参考文献）

1.1研究意义

 在世界各国空天战略意识逐步强化、航海技术飞速发展大环境下，复合材料设计制造海洋船舶可以实现高航速、低排放、远续航、长寿命、优异舒适性的设计理念，已经成为现代造船的理想材料杜善义. 复合材复合材料与战略性新兴产业[J]. [J]. 科技导报, 2013, 31(7)科技导报, 2013, 31(7):3-3., 2013, 31(7):3-3.。目前，在船舶结构上用量最大的先进复合材料是碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic/Polymer，简称CFRP）。该材料是以碳纤维为增强相、环氧树脂为基体相的复合材料，其密度约为铝合金的60%，一般可使飞机结构的质量减少20%~25%沈真. 碳纤碳纤维复合材料在飞机结构中的应用[J].[J]. 高科技纤维与应用, 2010, 35(4高科技纤维与应用, 2010, 35(4): 1-4, 24., 2010, 35(4): 1-4, 24.。

 船舶结构产品中的CFRP通常需要与其它结构（复合材料、铝合金、钛合金等结构）进行铆接、螺接等机械连接，这就需要在航空航天产品装配过程中对CFRP构件进行大量的钻孔加工操作。由于CFRP是由纤维和基体组成的多相结构，具有非匀质性、各向异性、硬度高等特点，切削加工难度较大，钻削过程中极易出现入口处劈裂、出口处撕裂、毛边、层间分离、径向挤伤、微裂纹等损伤李桂玉, 叠层复叠层复合材料钻削加工缺陷产生机理及工艺参数优化[D]. [D]. 山东大学, 2011.山东大学, 2011., 2011.Liu D F, Tang Y J, Cong W L. A review of mechanical drilling for composite laminates[J]. Composite Structures, 2012; (94): 1265–1279.，从而降低机械连接质量，影响产品服役性能。国内外学者围绕CFRP切削力预测、工艺参数优化等方面，通过力学解析、数值模拟和实验观测展开了广泛的研究和探索Liu D F, Tang Y J, Cong W L. A review of mechanical drilling for composite laminates[J]. Composite Structures, 2012; (94): 1265–1279.^-Soussia A B, Mkaddem A, El Mansori M. Rigorous treatment of dry cutting of FRP–Interface consumption concept: A review[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2014, 83: 1-29.。随着航空航天制造工业对装配质量要求的进一步提高，对钻削损伤控制的要求越来越严格，因而CFRP切削机理、损伤的萌生和扩展规律等需要更进一步深入的研究陈燕, 葛恩葛恩德, 傅玉, 傅玉灿,等. 傅玉灿,等. 碳纤维增强,等. 碳纤维增强树脂基复等. 碳纤维增强树脂基复合材. 碳纤维增强树脂基复合材料制孔碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望[J]. 复合材料学报, 201[J]. 复合材料学报, 2015, 32(2).复合材料学报, 2015, 32(2)., 2015, 32(2).。

 对于典型的单向预浸片型CFRP而言，纤维在基体中分布形成单层板，单层板按照规定的纤维方向和次序铺放，形成层合形式，层与层之间存在不同于各层性质的层间相，其中宏观板厚数量级约10^-2 m，单层板厚数量级约10^-4 m，RVE和纤维直径尺度数量级约10^-5 m，就构成了一个跨尺度（横跨“细观-宏观”）、多相（纤维相、基体相、层间相等）、各向异性的材料，这种结构特点在决定材料属性上起到了举足轻重的作用Baer E , Hiltner A , Keith H D. Hierarchical structure in polymeric materials.[J]. Science, 1987, 235(4792):1015-22.。CFRP的钻削过程涵盖了一系列从微观到宏观的非线性连续变化，一个特定的尺度层级通常在很大程度上决定了其上游尺度层级的属性，同时其性质依赖于下游尺度层级的交互作用Lakes R. Materials with structural hierarchy[J]. Nature, 1993, 361(6412):511-515.，对切削机理的进一步深入理解，其尺度效应是不可回避的问题。

 跨尺度科学处于当代科学众多挑战性问题的核心，它既是解决众多棘手问题的新机遇，也给计算分析带来了更严峻的挑战。在复合材料领域，跨尺度方法广泛应用于其弹性、粘弹性、塑性、失效退化、热力学等多方面，取得了丰富的成果郑晓霞, 郑锡涛郑锡涛, 缑林虎, 缑林虎. 跨尺度缑林虎. 跨尺度方法在复合. 跨尺度方法在复合材料力学分跨尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展[J]. 力学进展, 2010[J]. 力学进展, 2010, 40(1):41-56.力学进展, 2010, 40(1):41-56., 2010, 40(1):41-56.。然而复合材料钻削行为是一个囊括了几何信息、材料属性信息、应力应变场信息的动态变化的复杂系统，解析的方法很难提供令人满意的效果，因此在CFRP钻削方面，基于跨尺度方法的研究成果并不多见。

 迈阿密大学的学者Cox B, Yang Q. In quest of virtual tests for structural composites[J]. Science, 2006, 314(5802): 1102-1107.指出虚拟测试是解决复合材料结构跨尺度问题的有效途径，CFRP的钻削模拟仿真对于钻削行为的理解和切削力、孔周应力、温度场的预测有着重要意义，目前关于CFRP钻削模拟的研究存在着以下问题：

 （1）采用单相均质材料等效CFRP，对于其中某一特定材料点而言，忽略了纤维和基体的区别，因此导致一些本该用纤维性质计算的单元被更弱的基体性质代替，从而提前失效；

 （2）直角切削和钻削仿真分析模型没有充分考虑层间相的作用，而分层损伤仿真分析模型没有真正体现钻削过程；

 （3）精度和效率难以达到让人满意的结果。

 因此有必要将跨尺度方法引入到CFRP钻削数值模拟中，研究其多相材料表征、跨尺度信息传递等关键基础科学问题，通过高效高精度的跨尺度数值模拟方法研究CFRP钻削过程，进一步深入揭示其切削机理和损伤行为，进而为复合材料装配工艺优化提供有力的基础支持。

1.2国内外研究现状

 本项目是复合材料切削模拟仿真方法与复合材料跨尺度分析方法的有机结合，国内外研究机构针对这两部分内容，都有着多年的研究经验，可以为本项目的研究提供基础支持和思路借鉴。

（1）CFRP切削模拟仿真方面

 由于刀具几何特征和材料结构特征的原因，CFRP钻削行为非常复杂，为了更好理解该行为，人们通常利用微元法，将切削刃微元的切削行为提取出来，从最简单的直角切削着手，研究纤维和基体的切削断裂机理Phadnis V A, Makhdum F, Roy A, et al. Drilling in carbon/epoxy composites: Experimental investigations and finite element implementation[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing, 2013, 47(3):41-51.。因此在模拟仿真方面，与本项目相关的研究可以分为两部分，关于直角切削的仿真研究和关于复合材料钻削的仿真研究。

 为明晰CFRP直角切削损伤机理、切屑形成机制，国内外学者基于数值仿真展开了一系列研究。Rao等Rao G V G., Mahajan P, Bhatnagar N. Micro-mechanical modeling of machining of FRP composites-Cutting force analysis[J]. Composites Science and Technology, 2007. 67(3-4): 579-593.Rao G V G, Mahajan P, Bhatnagar N. Machining of UD-GFRP composites chip formation mechanism[J]. Composites Science & Technology, 2007, 67:2271–2281.提出了多相材料建模有限元仿真方法，模拟了单向CFRP和GFRP的直角切削，他们将纤维设定为弹性，基体设定为弹塑性，纤维和基体的界面用粘结区模拟，纤维失效基于最大主应力准则，基体弹性模量在屈服后缩减，分别用ABAQUS/StandardRao G V G., Mahajan P, Bhatnagar N. Micro-mechanical modeling of machining of FRP composites-Cutting force analysis[J]. Composites Science and Technology, 2007. 67(3-4): 579-593.和ABAQUS/ExplicitRao G V G, Mahajan P, Bhatnagar N. Machining of UD-GFRP composites chip formation mechanism[J]. Composites Science & Technology, 2007, 67:2271–2281.模块，模拟了纤维方向角低于90°时的损伤和切屑形成机理。接着Rao等Rao G V G, Mahajan P, Bhatnagar N. Three-dimensional macro-mechanical finite element model for machining of unidirectional-fiber reinforced polymer composites[J]. Materials Science and Engineering: A, 2008, 498(1): 142-149.又基于Tsai-Hill失效准则，将CFRP看作各向异性均质材料，建立了三维有限元模型，切削力和切屑都与实验结果比较吻合。Santiuste等Santiuste C, Olmedo A, Soldani X, et al. Delamination prediction in orthogonal machining of carbon long fiber-reinforced polymer composites[J]. Journal of Reinforced Plastics & Composites, 2012, 31(13):875-885.将传统损伤模型和内聚力交互关系引入三维有限元模型，分析了简单直角切削过程中板内和层间的损伤。路冬等路冬, 李志李志凯, 融亦, 融亦鸣, 等.融亦鸣, 等. 基于宏观, 等. 基于宏观各向异性碳等. 基于宏观各向异性碳纤维增. 基于宏观各向异性碳纤维增强树脂基于宏观各向异性碳纤维增强树脂基复合材料的切削仿真[J]. 复合材料学报, 2014[J]. 复合材料学报, 2014, 31(3): 584-590.复合材料学报, 2014, 31(3): 584-590., 2014, 31(3): 584-590.采用Hashin失效准则，建立二维单相有限元模型，对0°和90°的切削过程的基体破坏和亚表层损伤机制进行了研究，得出了随着纤维方向角度变化，工件出现不同亚表面裂纹损伤的结论。Usui等Usui S, Wadell J, Marusich T. Finite Element Modeling of Carbon Fiber Composite Orthogonal Cutting and Drilling[J]. Procedia Cirp, 2014, 14(14):211-216.通过对插入内聚力单元和分裂结构化网格模型进行非线性大变形拉格朗日式仿真，获得了纤维方向对CFRP切屑形成过程和表面缺陷的影响规律。

 在CFRP钻削仿真方面，Phadnis等Phadnis V A, Makhdum F, Roy A, et al. Drilling in carbon/epoxy composites: Experimental investigations and finite element implementation[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing, 2013, 47(3):41-51.针对钻削的三维有限元仿真进行了初步研究，通过改变切削速度及进给速度，模拟了不同条件下的钻削力、扭矩、分层等，并且指出设计合理的CFRP损伤模型可以得到更为准确地仿真结果。Catalanotti等Catalanotti G, Camanho P P. A semi-analytical method to predict net-tension failure of mechanically fastened joints in composite laminates[J]. Composites Science & Technology, 2013, 76(4):69–76.通过设定合理的CFRP四种损伤失效模式，建立有效的材料模型，实现了切屑形成过程中的材料损伤分析。Isbilir等Isbilir O, Ghassemieh E. Finite Element Analysis of Drilling of Carbon Fibre Reinforced Composites[J]. Applied Composite Materials, 2011, 19(3-4):1-20.^-Isbilir O, Ghassemieh E. Three-dimensional numerical modelling of drilling of carbon fiber-reinforced plastic composites[J]. Journal of Composite Materials, 2014, 48(10):1209-1219.建立了CFRP的钻削仿真模型，研究了进给、转速等工艺参数与钻头几何参数对切削力和损伤的影响，并实现了对钻头结构的优化设计。Feito等Feito N, López-Puente J, Santiuste C, et al. Numerical prediction of delamination in CFRP drilling[J]. Composite Structures, 2014, 108(1):677-683.建立了两种CFRP钻削有限元模拟模型，一种仅考虑刀具轴向进给，另一种考虑了进给和旋转，对比发现二者结果相差较小且前者效率更高，适合于分层损伤的预测。

（2）复合材料跨尺度分析方面

 复合材料跨尺度分析方法的主要思想是以全局均匀材料等效原来的非均匀材料，且在关键部位进行细观多相分析，满足两体系的应变能完全或近似相同，常用的方法有两类，分别是分析法和细观力学有限元法Kanouté P, Boso D P, Chaboche J L, et al. Multiscale Methods for Composites: A Review[J]. Archives of Computational Methods in Engineering, 2009, 16(1):31-75.，其中分析法又包括自洽方法、广义自洽方法、Mori-Tanaka方法、胞元模型和均匀化方法等郑晓霞, 郑锡涛郑锡涛, 缑林虎, 缑林虎. 跨尺度缑林虎. 跨尺度方法在复合. 跨尺度方法在复合材料力学分跨尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展[J]. 力学进展, 2010[J]. 力学进展, 2010, 40(1):41-56.力学进展, 2010, 40(1):41-56., 2010, 40(1):41-56.，然而这些分析并不适合于钻削这种复杂几何、力学非线性的问题，于是人们用跨尺度方法探索复合材料本构的表征方法并结合有限元方法进行求解。刘晓奇刘晓奇. 多孔复多孔复合材料周期结构的跨尺度模型与高精度算法[D]. [D]. 湖南师范大学, 2006.湖南师范大学, 2006., 2006.研究了复合材料周期结构的跨尺度渐进展开与高精度算法，提出了基于双尺度渐进展开的高精度有限元算法，并利用后处理技巧，提出了一个高精度的跨尺度有限元计算格式。Yu等Yu X G, Cui J Z. The prediction on mechanical properties of 4-step braided composites via two-scale method[J]. Composites Science & Technology, 2007, 67(3):471-480.成功将双尺度分析方法应用于预测编织复合材料的力学性能，研究了编织角和体积含量对拉伸强度、弯曲强度和扭转强度的影响，同时还研究了沿编织角和纤维含量的强度曲线。张洪武等张洪武, 余志兵余志兵, 王鲲鹏, 王鲲鹏. 复合材王鲲鹏. 复合材料弹塑性跨. 复合材料弹塑性跨尺度分析模复合材料弹塑性跨尺度分析模型与算法[J]. 固体力学学报, 20[J]. 固体力学学报, 2007, 28(1):7-12.固体力学学报, 2007, 28(1):7-12., 2007, 28(1):7-12.在构建周期分布单胞分析算法的基础上，发展了针对复合材料结构非线性跨尺度分析的一般有限元方法，完成了对应高斯点应力计算。Souza等Souza F V, Allen D H, Kim Y R. Multiscale model for predicting damage evolution in composites due to impact loading[J]. Composites Science & Technology, 2008, 68(13):2624-2634.建立了预测复合材料在冲击载荷下长度尺度上裂纹扩展损伤演化模型，该模型用于预测快速载荷作用下构件的失效问题，取得了良好效果。屈鹏屈鹏. 纤维纤维/树脂复/树脂复合材料树脂复合材料跨尺度结构对力学性能的影响[D]. 山东[D]. 山东大学, 2012.山东大学, 2012., 2012.从纤维复合材料结构单元出发，在细观尺度上，通过内聚力模型，建立了纤维复合材料有限元模型，分析了界面粘结性能对单向复合材料整体力学性能的影响，在宏观尺度上，数值模拟了层合结构在准静态压痕及低速冲击过程中的损伤演化。Zhang等Zhang D, Waas A M. A micromechanics based multiscale model for nonlinear composites[J]. Acta Mechanica, 2014, 225(4-5):1-27.建立了一个可以用于跨尺度框架下的细观尺度纤维增强复合材料模型，该模型中用一个纤维基体同轴圆柱模型作为基础单元，复合材料的非线性响应被设定为基于应变的二次变量，并通过实验对比证明本方法适合于大尺寸的渐进损伤和失效。黄达黄达. 复合复合材料跨尺度渐进损伤失效及断裂破坏分析[D].[D]. 北京化工大学, 2014.北京化工大学, 2014., 2014.结合细观力学和损伤力学相关理论，分析了不同外载作用下复合材料的损伤演化过程，同时利用扩展有限元法模拟亚界面裂纹扩展过程，最后以复合材料圆筒为对象，基于ABAQUS子程序展开宏观结构失效分析。谢桂兰等谢桂兰, 赵锦枭赵锦枭, 曹尉南, 曹尉南. 基于跨曹尉南. 基于跨尺度模型的. 基于跨尺度模型的复合材料层基于跨尺度模型的复合材料层合板性能预测[J]. 材料导报, 2014[J]. 材料导报, 2014, 28(6):149-153.材料导报, 2014, 28(6):149-153., 2014, 28(6):149-153.运用均匀化理论与有限元结合的方法，预测了风机叶片复合材料层合板的性能，将其分为宏观、细观、纳观三个层次，通过三次均匀化方法，借助ANSYS，预测了材料各参数。杨强等杨强, 解维解维华, 孟松, 孟松鹤,等. 孟松鹤,等. 复合材料跨,等. 复合材料跨尺度分析等. 复合材料跨尺度分析方法. 复合材料跨尺度分析方法与典型复合材料跨尺度分析方法与典型元件拉伸损伤模拟[J]. 复合材料学报, 201[J]. 复合材料学报, 2015, 32(3):617-624.复合材料学报, 2015, 32(3):617-624., 2015, 32(3):617-624.基于跨尺度展开理论，对复合材料弹性问题控制方程进行尺度分解，基于协同跨尺度策略进行了复合材料拉伸过程的跨尺度渐进损伤模拟。

 通过两方面的现状分析可以看出，虽然关于CFRP切削仿真和复合材料跨尺度分析有了大量的研究，然而仍存在如下问题：

 （1）钻削加工的模拟与仿真研究仍相当匮乏，特别是针对CFRP的钻孔仿真研究刚刚起步，人们在直角切削、钻削两方面采用多相材料模型和均质化宏观模型进行了探索，但无法取长补短，充分利用宏细观分析的信息，达到效率和准确性的综合要求；

 （2）关于复合材料跨尺度的研究多集中在力学性能分析方法、宏观有效性能预测等方面，只能解决有限的复合材料问题，而适用于复合材料复杂非线性损伤分析的跨尺度数值仿真方法则较少，且主要关注拉伸破坏这种较为简单的损伤行为，对于钻削的跨尺度分析方法则鲜有报道。

1.3发展趋势

 本项目将跨尺度分析方法的思想融入到CFRP钻削数值仿真分析中，不仅会加快计算进程，而且可以更快捷更直观地解决复合材料钻削复杂损伤等问题，具有广阔的前景和巨大的计算潜力。为实现该目标，亟需建立更可靠的材料弹塑性和损伤模型，开发钻削过程中细观多相模型与宏观均质模型的损伤信息共享方法，以提高钻削模拟的准确度和效率，然后基于跨尺度数值仿真进行CFRP钻削损伤机理及其抑制策略研究。

1.4主要参考文献

1.  杜善义. 复合材料与战略性新兴产业[J]. 科技导报, 2013, 31(7):3-3.

2.  沈真. 碳纤维复合材料在飞机结构中的应用[J]. 高科技纤维与应用, 2010, 35(4): 1-4, 24.

3.  李桂玉, 叠层复合材料钻削加工缺陷产生机理及工艺参数优化[D]. 山东大学, 2011.

4. Liu D F, Tang Y J, Cong W L. A review of mechanical drilling for composite laminates[J]. Composite Structures, 2012; (94): 1265–1279.

5. Che D, Saxena I, Han P, et al. Machining of carbon fiber reinforced plastics/polymers: A literature review[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2014, 136(3): 034001.

6. Soussia A B, Mkaddem A, El Mansori M. Rigorous treatment of dry cutting of FRP–Interface consumption concept: A review[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2014, 83: 1-29.

7.  陈燕, 葛恩德, 傅玉灿,等. 碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望[J]. 复合材料学报, 2015, 32(2).

8. Baer E , Hiltner A , Keith H D. Hierarchical structure in polymeric materials.[J]. Science, 1987, 235(4792):1015-22.

9. Lakes R. Materials with structural hierarchy[J]. Nature, 1993, 361(6412):511-515.

10.  郑晓霞, 郑锡涛, 缑林虎. 跨尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展[J]. 力学进展, 2010, 40(1):41-56.

11. Cox B, Yang Q. In quest of virtual tests for structural composites[J]. Science, 2006, 314(5802): 1102-1107.

12. Phadnis V A, Makhdum F, Roy A, et al. Drilling in carbon/epoxy composites: Experimental investigations and finite element implementation[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing, 2013, 47(3):41-51.

13. Rao G V G., Mahajan P, Bhatnagar N. Micro-mechanical modeling of machining of FRP composites-Cutting force analysis[J]. Composites Science and Technology, 2007. 67(3-4): 579-593.

14. Rao G V G, Mahajan P, Bhatnagar N. Machining of UD-GFRP composites chip formation mechanism[J]. Composites Science & Technology, 2007, 67:2271–2281.

15. Rao G V G, Mahajan P, Bhatnagar N. Three-dimensional macro-mechanical finite element model for machining of unidirectional-fiber reinforced polymer composites[J]. Materials Science and Engineering: A, 2008, 498(1): 142-149.

16. Santiuste C, Olmedo A, Soldani X, et al. Delamination prediction in orthogonal machining of carbon long fiber-reinforced polymer composites[J]. Journal of Reinforced Plastics & Composites, 2012, 31(13):875-885.

17.  路冬, 李志凯, 融亦鸣, 等. 基于宏观各向异性碳纤维增强树脂基复合材料的切削仿真[J]. 复合材料学报, 2014, 31(3): 584-590.

18. Usui S, Wadell J, Marusich T. Finite Element Modeling of Carbon Fiber Composite Orthogonal Cutting and Drilling[J]. Procedia Cirp, 2014, 14(14):211-216.

19. Phadnis V A, Makhdum F, Roy A, et al. Drilling in carbon/epoxy composites: Experimental investigations and finite element implementation[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing, 2013, 47(3):41-51.

20. Catalanotti G, Camanho P P. A semi-analytical method to predict net-tension failure of mechanically fastened joints in composite laminates[J]. Composites Science & Technology, 2013, 76(4):69–76.

21. Isbilir O, Ghassemieh E. Finite Element Analysis of Drilling of Carbon Fibre Reinforced Composites[J]. Applied Composite Materials, 2011, 19(3-4):1-20.

22. Isbilir O, Ghassemieh E. Numerical investigation of the effects of drill geometry on drilling induced delamination of carbon fiber reinforced composites[J]. Composite Structures, 2013, 105(8):126-133.

23. Isbilir O, Ghassemieh E. Three-dimensional numerical modelling of drilling of carbon fiber-reinforced plastic composites[J]. Journal of Composite Materials, 2014, 48(10):1209-1219.

24. Feito N, López-Puente J, Santiuste C, et al. Numerical prediction of delamination in CFRP drilling[J]. Composite Structures, 2014, 108(1):677-683.

25. Kanouté P, Boso D P, Chaboche J L, et al. Multiscale Methods for Composites: A Review[J]. Archives of Computational Methods in Engineering, 2009, 16(1):31-75.

26.  郑晓霞, 郑锡涛, 缑林虎. 跨尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展[J]. 力学进展, 2010, 40(1):41-56.

27.  刘晓奇. 多孔复合材料周期结构的跨尺度模型与高精度算法[D]. 湖南师范大学, 2006.

28. Yu X G, Cui J Z. The prediction on mechanical properties of 4-step braided composites via two-scale method[J]. Composites Science & Technology, 2007, 67(3):471-480.

29.  张洪武, 余志兵, 王鲲鹏. 复合材料弹塑性跨尺度分析模型与算法[J]. 固体力学学报, 2007, 28(1):7-12.

30. Souza F V, Allen D H, Kim Y R. Multiscale model for predicting damage evolution in composites due to impact loading[J]. Composites Science & Technology, 2008, 68(13):2624-2634.

31.  屈鹏. 纤维/树脂复合材料跨尺度结构对力学性能的影响[D]. 山东大学, 2012.

32. Zhang D, Waas A M. A micromechanics based multiscale model for nonlinear composites[J]. Acta Mechanica, 2014, 225(4-5):1-27.

33.  黄达. 复合材料跨尺度渐进损伤失效及断裂破坏分析[D]. 北京化工大学, 2014.

34.  谢桂兰, 赵锦枭, 曹尉南. 基于跨尺度模型的复合材料层合板性能预测[J]. 材料导报, 2014, 28(6):149-153.

35.  杨强, 解维华, 孟松鹤,等. 复合材料跨尺度分析方法与典型元件拉伸损伤模拟[J]. 复合材料学报, 2015, 32(3):617-624.

二、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题

2.1研究目标

 本项目旨在将跨尺度分析与数值模拟方法结合，从钻削过程跨尺度效应、多相材料表征方法、跨尺度信息传递、敏感性分析与评价等方面研究CFRP钻削模拟方法中的基础科学问题，揭示CFRP钻削跨尺度损伤机理，建立体现界面多模式损伤失效的预测模型，建立基于ECDM理论的均质化复合材料本构模型，完成宏细观损伤关联并实现基于协同跨尺度的跨尺度信息传递，在此基础上完成CFRP钻削行为的跨尺度数值分析，进行参数敏感性分析与方法评价，对钻削质量的耗损度进行评估建模，提出损伤抑制策略，为CFRP钻削工艺优化提供技术基础，进而提高航空航天复合材料构件装配质量。

2.2研究内容

（1）面向三维动态损伤分析的多相材料表征方法

 优秀的材料表征方法是实现钻削过程高效、准确数值模拟的必要条件，复合材料钻削行为的三维、动态、损伤等的特点，对材料表征方法提出了区别于一般数值模拟的要求。首先进行钻削过程的断裂规律及其尺度效应分析，揭示切削过程中不同材料在微观、细观、宏观层面的本质变化；然后研究“纤维-基体”界面、层间界面损伤机理，并建立能体现多模式断裂以及切削去除的应力应变预测模型；最后基于增强连续损伤介质力学（ECDM）建立均质化宏观层级复合材料本构模型。

• 钻削过程的断裂规律及其尺度效应分析

• 界面损伤机理及其预测建模

• 基于ECDM的宏观层级材料本构建模

（2）基于渐进均匀化的CFRP结构跨尺度模拟方法

 对宏观CFRP构件，可以逐层分为预浸带单层、纤维-基体等层级，形成宏观到细观的跨尺度模型，对该结构的跨尺度模拟需要解决各尺度的几何建模和各尺度模型之间的弹塑性及损伤信息通讯问题。首先考虑纤维几何分布和各材料强度的非均匀性，基于统计规律建立代表性特征体单元（RVE）受载、单向CFRP直角切削、CFRP钻削等跨尺度的模型；然后基于渐进均匀化方法建立考虑CFRP损伤的宏细观关联建模；最后在此基础上，基于协同跨尺度方法实现数值模拟过程中的宏细观弹塑性和损伤信息实时共享。

• 基于尺度分解的非理想切削行为分析

• 考虑CFRP损伤的宏细观关联建模

• 基于协同跨尺度的宏细观信息实时共享

（3）模型评价方法与损伤机理研究

 跨尺度数值模拟的研究仅致力于原型系统的实现，尚需由效率、精度、鲁棒性的评估进一步巩固和提升其科学价值，并据此深入研究钻削损伤机理。首先设计多工况钻削模拟方案，并进行相应工况条件的实验验证；然后评估参数影响权重，考虑过程稳定性对重要参数的敏感性进行分析；最后结合跨尺度数值仿真和实验方法，进行CFRP钻削损伤机理分析，以高效率高精度为目标，对CFRP钻削工艺进行综合优化，提出损伤抑制策略。

• 多工况钻削模拟与实验验证

• 基于过程控制的参数敏感性分析

• CFRP钻削损伤机理及其抑制策略

2.3拟解决的关键问题

 本项目主要实现CFRP结构件的钻削跨尺度模型，其中主要包含各项力学性能参数的表征，和钻削模拟中跨尺度信息的共享，根据其主要研究内容其中拟解决的关键问题如下：

（1）CFRP多相材料动态损伤机理与表征方法

CFRP本身是典型的多相材料，而跨尺度分析中需要兼顾宏观均质模型和细观，涉及到纤维、基体、“纤维-基体”界面、层间界面、宏观均质材料等的弹塑性、损伤判断及其演化，而钻削行为本身是复杂的非线性过程，而且涉及到几何特性和物理特性的大幅突变，因此需要对多相材料的损伤机理和表征方法进行重点关注。材料的本构关系是下游行为在上游层面的反应，该问题的研究是实现高效准确模拟仿真分析的基础。

（2）CFRP钻削中的尺度效应及其跨尺度信息共享方法

 材料的损伤失效从本质上来讲都是跨尺度行为，从原子分子之间相互作用强度变化导致整体滑移或错位，从而引起微裂纹，进一步扩展最终形成宏观断裂。CFRP在钻削过程中，微观层面的损伤、细观结构的断裂、宏观层面材料的去除存在着不可忽略的跨尺度效应，需要研究其跨尺度信息共享方法，在模拟中既保证了宏观均质材料模型的高效性，又保留了细观多相模型的弹塑性、损伤、接触等信息，成为保障高效准确模拟仿真分析的核心关键科学问题。

三、课题的研究方案、技术路线及解决途径

3.1研究方案与技术路线

 本项目围绕CFRP构件钻削跨尺度分析及数值模拟的关键基础问题，以理论分析为基础，以数值模拟为核心，以工艺实验为评价标准，展开系统的研究。通过理论分析，在材料表征、跨尺度模拟方法实现、后期评估与优化等为数值模拟提供全方面的支持，最终以钻削力、分层损伤、孔壁质量等为质量评价指标对数值模拟展开实验验证和优化。

 下面将按研究内容具体描述技术路线。

（1）面向三维动态损伤分析的多相材料表征方法

 首先，对宏观钻削行为进行几何解构和力学解构，分析RVE在钻削过程中宏观层面的受载形式，研究纤维和基体在细观层面的断裂规律，揭示切削过程中不同材料在微观层面的理化演变规律。

 然后，设计埋藏纤维拔出、双悬臂弯曲、单边缺口挠曲等实验研究“纤维-基体”界面、层间界面损伤机理，基于解析法分析多种界面剥离行为，采用弹塑性内聚力区域模型（CZM）模拟裂纹的萌生、扩展和界面的失效，最终建立能体现多模式断裂以及切削去除的应力应变预测模型。

 最后基于ECDM理论，将复合材料本构关系划分为失效前和失效后两阶段，根据万能拉伸应力应变实验测量数据反推关键参数，分别引入数学模型，结合屈服判据、初始失效判据、塑性软化规律、最终失效判据等，建立均质化复合材料的本构模型。

 图1 面向三维动态损伤分析的多相材料表征方法

（2）基于渐进均匀化的CFRP结构跨尺度模拟方法

 首先，基于均质化理论，从细观尺度出发，取纤维-基体所构成的代表性体积单元，引入表征RVE形状、组分几何布局信息的细观特征函数，由细观平衡方程求解得到细观特征函数，再考虑纤维几何分布和各材料强度的非均匀性，建立周期性代表单胞模型，基于威布尔分布建立RVE模型受载、单向CFRP直角切削、CFRP钻削等跨尺度的模型。

 然后，针对复合材料的细观周期性，分别建立用于局部化分析的细观控制方程和用于均匀化分析的宏观控制方程，同时抽象表征周期性边界条件，分析由细观模型决定的宏观材料特性，同时由宏观响应量获取细观局部响应，最终基于渐进均匀化方法建立考虑CFRP损伤的宏细观关联建模。

 最后，在宏细观关联模型的基础上，研究宏观钻削对材料内部应力应变场分布的影响，判断并提取结构中的关键响应区域，在该区域内调用跨尺度分析方法，将宏观结果传递到细观分析模型中，进行渐进损伤变形和断裂分析，最终体现为宏观材料力学性能的折减，反馈至宏观钻削分析过程，最终，基于协同跨尺度方法实现宏细观模型信息的双向实时传递。

图2 基于渐进均匀化的CFRP结构跨尺度模拟方法

（3）模型评价方法与损伤机理研究

 首先，在ABAQUS环境下，通过二次开发编写子程序实现材料表征和跨尺度信息传递，完成跨尺度数值仿真模拟计算，以钻削力、分层损伤、孔壁质量等为质量评价指标，采用均匀设计方法设计多工况钻削模拟试验方案，并搭建钻削实验及切削力测试、损伤测试平台，进行相应工况条件的实验验证；

 然后，采用极差方差分析等统计分析方法，以模拟精度和效率为目标，对多工况钻削模拟过程中的几何参数、工艺参数、材料属性参数、过程设置参数等进行分析，评估不同条件下参数影响权重，采用人工神经网络的高精度泛化映射方法对重要参数的敏感性进行分析，根据敏感度分析结果，结合实验数据，以高效率高精度高稳定性为目标，对跨尺度模拟方法进行综合优化；

 最后，对损伤进行分类，针对各类损伤分别基于跨尺度有限元进行萌生、扩展动态展示，结合理论研究和实验观测，进行损伤机理的深入研究，通过拉伸实验和模拟损伤对钻削质量的耗损度进行评估建模，完成面向损伤抑制的刀具几何参数、钻削工艺参数的优化。

图3 模型评价方法与损伤机理研究

四、研究工作条件和基础（包括过去的研究工作基础，现有的研究基础及研发队伍组成等）

4.1工作条件

 项目组所在的机械工程学科是江苏科技大学重点学科，且是江苏省十大重中之重学科之一。依托“船舶与海洋生物智能制造技术装备研究所”、“高效精密加工与装备技术”教育部工程研究中心以及“江苏省精密与微细制造高技术研究重点实验室”，具有完成本项科研任务的仪器设备与设施，详述如下：

 （1）热压成型设备：压力0 ~ 50T，温度0 ~ 500℃分段可控，配有抽真空装置保持成型区域温度均匀，内置温度压力传感器实时监控成型过程，能够实现熔融预浸的CFRP结构的制备，如图4（a）所示。

 （2）超景深显微镜：HiRox-RH-2000，工业CT扫描系统，PAC超声C扫描系统，布鲁克AXS X射线衍射仪，OLYMPUS激光共聚焦显微镜，激光散斑测试仪可以为CFRP结构件细观特征获取以及在实验后微观损伤形貌的观测与检验，如图4（b）所示。

 图4 热压成型设备与超景深显微镜

 （3）材料双向电子拉伸试验机、PLG-100G型高频疲劳拉压试验机等试验平台、MTS电液动静万能试验机和动静态疲劳试验机等可以完成CFRP结构件及其组份结构力学性能（弹性模量，强度等参数）测试提供较真实的硬件基础设置，同时也为损伤后疲劳寿命测试提供便利条件。

 （4）高性能计算机、TC4000A微机集群系统以及Abaqus、Catia、TexGen、Hypermesh、Ansys等软件平台可以为高精度数值仿真提供软硬件环境。

 （5）精密数控制孔机床（型号XK7124）、柔性装配型架和精密制孔系统、高速五坐标加工中心及车铣等切削加工设备等可以实现CFRP构件的多工况变参数钻削加工，配合PXI-1042Q数据采集系统可以实现切削力数据采集与分析；

4.2研究基础

 课题负责人从攻读博士学位至今，致力于复合材料力学性能表征、切削加工损伤方面的研究。围绕以CFRP结构组成形式、纤维与基体的材料特性为出发点，结合跨尺度数值模拟方法、智能算法，从CFRP的弹性性能表征、动态渐进损伤本构建模、钻削数值模拟分析与评价和跨尺度钻削模型的应用等方面开展了深入的研究，取得的相关研究工作积累包括：

（1）提出了考虑纤维随机分布的CFRP跨尺度弹性性能表征方法，对UD-CFRP的宏观弹性性能进行了表征，并预测了具有不同铺层角度与铺层顺序的MD-CFRP弹性性能变化趋势。。

（2）建立了基于微观力学失效理论的CFRP动态渐进损伤演化模型，并编制了VUMAT子程序用于模拟CFRP的层内和层间损伤失效行为。

（3）建立了匕首钻钻削CFRP跨尺度钻削模型，模拟了CFRP层合板在钻削时产生的动态力学响应及其渐进损伤行为，并从精度和效率角度对仿真模型进行了评价。

（4）提出了一种基于跨尺度模型-人工神经网络的轴向力预测方法，高效精准的预测了匕首钻钻削CFRP层合板时产生的轴向力。

 已取得的成果包括：

1. Yong Liu, Zhenchao Qi, Wenliang Chen, Xingxing Wang. An approach to design high-performance unidirectional CFRPs based on a new sensitivity analysis model[J]. Composite Structures,2019,111078.( SCI、EI收录，二区，IF:4.829)

2. Yong Liu, Zhenchao Qi, Wenliang Chen, Jiangang Li, Erhua Wang. Mesh size optimization of unidirectional fiber-reinforced composites model for precisely characterizing the effective elastic property[J]. Journal of material engineering and performance. 2020,29: 2701-2719 (SCI、EI收录，三区，IF:1.476)

3. Zhenchao Qi, Yong Liu, Wenliang Chen. An approach to predict the mechanical properties of CFRP based on cross-scale simulation[J]. Composite Structures. 2019;210:339-47. (SCI、EI收录，二区，IF:4.829) （本文第二章研究内容）

4. Zhenchao Qi, Nanxi Zhang, Yong Liu, Wenliang Chen. Prediction of mechanical properties of carbon fiber based on cross-scale FEM and machine learning[J]. Composite Structures. 2019;212:199-206. (SCI、EI收录，二区，IF:4.829)

5. Zhenchao Qi, Yong Liu, Zhixia Chen. A Sensitivity Analysis Method for Finite Element Simulation of CFRP Drilling Process[C]. 2017 3rd International Conference on Applied Mechanics and Mechanical Automation.（国际学术会议期刊）

6. 齐振超, 刘勇, 高乾坤. 多尺度视野下FRC钻削有限元仿真研究进展[J].工具技术, 2017, 51(12): 7-13.

五、研究工作的总体安排及进度

 项目总体研究周期预计三年，其中各年度的研究计划如下：

六、研究工作的预期成果及成果提交形式

 项目预期成果主要以论文发表、申请专利、数值分析报告等方式进行考核，成果提交形式主要有：

1）建立面向三维动态损伤分析的多相材料表征方法并建立相应本构模型。

2）提出CFRP钻削跨尺度数值仿真方法，开发基于ABAQUS的跨尺度钻削模拟环境。

3）提出考虑跨尺度损伤行为的CFRP钻削损伤预测方法及其抑制策略。

4）在SCI/EI源刊发表学术论文2篇以上。

6）结合项目培养硕士研究生1-2人。

七、经费概算（单位：万元）     总金额：5  （万元）      本次申请金额：3.5 （万元）

支出科目

本次申请金额

预算依据

办公用品费

0.3

购买各类办工用品

设备费

1.0

购置高性能计算机

材料费

1.2

购买试验所用的原材料，如CFRP预浸料等

测试化验加工费

0.2

CFRP钻削加工，实际试验后样件观测等

差旅费

0.2

 去南京等地做实验费用

会议费

0.2

 会议注册

国际合作与交流费

0

出版/文献/信息传播/知识产权事务费

0.4

 论文出版版面费、文献检索费、专利申请及其它知识产权事务等

专家评审费

0

合  计

3.5

八、申请人承诺

 我保证申请书内容的真实性。如果获得资助，我将履行项目负责人职责，严格遵守江苏科技大学的有关规定，切实保证研究工作时间，认真开展工作，按时报送有关材料。若填报失实和违反规定，本人将承担全部责任。

 申请人签字：

年    月    日

九、所在部门意见（课题的意义、课题组负责人及成员的学术水平、完成课题的条件等）

                                  负责人（签章）：                 

 年    月    日

十、科技处审核意见

                                  负责人（签章）：     

    年    月    日

十一、人事处审核意见

                                  负责人（签章）：                 

 年    月    日

江苏科技大学科研启动基金项目预算表

支出科目

本次申请金 额（万元）

内容说明

注

办公用品费

 ≤50%

 设备费

 材料费

测试化验加工费

 差旅费

 会议费

国际合作与交流费

出版/文献/信息传播/知识产权事务费

专家评审费

 合计

说明：