碳碳复合材料的水射流钻孔技术范文

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摘要：针对磨料水射流加工碳碳复合材料的冲孔过程，结合Fluent分析高压磨料水射流的射流压力、靶距对碳碳复合材料冲孔深度的影响；利用ANSYS/Ls-dyna有限元分析软件建立磨料和水的射流冲击模型，针对射流压力是冲孔分层的的主要因素进行仿真，得出材料失效时最大的应力和整个射流过程中应力的变化规律，由最大应力所在位置的层间y向位移变化确定分层情况；根据仿真结果进行相应的试验研究，并将仿真结果与实验结果进行对比分析，验证了射流仿真模型的可行性和有效性。

关键词：磨料水射流；碳碳复合材料；ANSYS/Ls-dyna；数值模拟

0前言

1碳碳复合材料是一种先进的碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，是轻质高效结构设计的理想材料，也属于难加工材料。目前碳纤维复合材料已广泛应用于航空航天、汽车、造船等领域的大型结构件中。钻孔是碳碳复合材料后加工工艺中一个极为重要的工序，用常规方法加工出来的制孔精度和制孔质量难以保证。作为迅速发展起来的高压水射流技术加工精度高、效率高、质量好，在加工复合材料方面有较好的应用前景[1]。作为迅速发展起来的磨料高压水射流已经成为近十几年来发展最快的特种加工技术之一，特别适合对微小零件进行切割和精密钻孔，有着广阔的应用前景[1]。磨料水射流将纯水用超高压加压器，使水的压力达到280～400MPa左右，用高速水射流加速磨料(石榴石)粒子，混合后从割枪直径为0.2～0.4mm的细小喷嘴射出，射流速度可达800～1000m/s，冲击工件去除材料。国内外对磨料水射流加工的研究成果卓著，但尚缺少关于磨料水射流加工复合材料机理和工艺参数的相关研究[2]。在磨料水射流加工方面主要集中在粗加工和半精加工方面，而且在对复合材料和脆性材料加工的研究中，多部分研究停滞于实验室研究，在工程运用上还需要很多更深入的研究[3]。近几年来，不少学者针对复合材料的加工问题，提出了不同的方法：鲍永杰等[4]采出聚晶金刚石(Polycrystallinediamond，PCD)刀具加工；HASHISH等[5]通过大量试验指出优化工艺参数可以使磨料水射流的切割性能得到很大程度的提升；KAMLESH等[5]通过试验了解了磨料水射流的切削参数对碳纤维增强材料的钻孔过程中的分层程度的影响，并优化处理了参数；ZHANG等[6]通过在复合材料和脆性材料上加工钻削深小孔的试验，创建了经验模型，预测钻孔深度；JOHN等[7]使用传统钻孔和水射流钻孔碳纤维材料研究了其疲劳特性，发现加工时间长会引起的分层裂纹开始蔓延；也有学者采用数值模拟的方法进行分析[8]；李根生等[9]运用流固耦合理论，提出并建立了高压水射流冲击过程的数值分析模型；张成光等[10]采用ANSYSFluent对磨料射流进行瞬态CFD仿真，建立了射流加工塑性材料的去除模型；苗新刚等[11]利用Ls-dyna有限元软件对一些常见高硬脆材料的水射流冲击过程进行了仿真。这些主要是针对钻孔时出现的分层情况，出口撕裂等对刀具提出的一些改进方法，提高孔的加工精度和质量，以及采用数值模拟的方法仿真射流的过程，而对磨料射流加工碳碳复合材料钻孔时的工艺参数研究并不完善。采用水射流技术可以显著降低传统机械加工的成本，提高加工效率。本文通过ANSYS/Ls-dyna软件，建立磨料和水的射流冲击复合材料模型，对射流加工过程采用流固耦合进行仿真，对高压水射流冲击过程中流体压力和复合材料内部应力进行数值计算，找到射流压力影响复合材料分层的应力变化规律，可以减少大量试验带来的问题，并将仿真结果与对应的试验结果进行对比分析，验证射流仿真模型的正确性和有效性。

1射流冲击建模

1.1冲击模型的建立复合材料具有各向异性、层间剪切等特性，建模的正确性对仿真有很大影响，本文通过ANSYS软件建立射流加工碳碳复合材料的几何模型。在ANSYS中选用solid164实体单元进行建模，对复合材料的厚度及铺层角度方向进行设置。

1.2模型参数与设置水射流经喷嘴高速射出对工件产生冲击作用，流体介质为水和磨料的两相流耦合，初始时水相体积分数为0.9，磨料体积分数0.1，入口为射流压力入口，按公式(1)Bernoulli方程转换为其对应的喷嘴出口速度；出口为射流压力出口，为标准大气压；其它面均被视为无滑移壁面。两相流材料特性设置：水密度998kg/m3，黏度8×10-4kg/m3.s，磨料颗粒为石榴石，硬度为7.5，粒度为80#，密度为3.4~～4.3g/cm3，黏度1×10-5kg/m3•s，其它部分计算参数可根据仿真软件默认要求进行设置。在非淹没条件下进行固液两相流耦合冲孔过程仿真分析。

2控制方程与边界条件

2.1水射流控制方程与边界条件

2.1.1水射流控制方程水射流的控制方程包括连续性方程、能量方程和k-ε方程[13]，这三个方程作为高压水射流射流流场的数值模型，在水射流数值仿真计算和射流压力在材料内部应力分布状态的计算中常用到。

3仿真分析

在仿真过程中射流直径、射流角度保持不变的情况下，改变冲孔加工过程中的水刀压力、水刀移动速度及靶距参数，分析其对加工孔质量的影响规律。运用ANSYS/fluent有限元分析软件对高压水刀切割复合材料钻孔的固液两相流耦合分析，采用正交试验的方法进行仿真，确定合适的压力范围和最佳靶距，以及分析各个参数对加工结果的影响；射流压力分别取值为280MPa、320MPa、350MPa、375MPa、400MPa、425MPa、450MPa，射流靶距为3mm，切割速度为100mm/min，射流角度为90度。

4试验与结果分析

为了验证射流仿真过程中的射流压力、靶距与孔质量是否分层之间的联系，针对上述仿真得到的加工工艺参数进行磨料水射流冲孔试验，然后通过超声扫描显微镜(SAM300)对实际加工孔进行分层缺陷的检测。

5结论

(1)通过Fluent流体分析软件，采用正交试验的方法仿真了射流压力、靶距与冲孔深度之间的关系，以及分析了在加工工艺中射流压力是主要的影响因素，建立了工艺参数与加工深度的关系：随射流压力的增大，切割深度也越大，但射流压力过大，作用在层与层间的力大于层间的剪切强度易造成分层。(2)针对射流压力是冲孔分层的的主要因素进行仿真，根据材料失效时最大的应力和整个射流过程中应力的变化规律，通过查看最大应力所在位置的层间y向位移变化确定分层情况，这样可以减少大量试验带来的问题。(3)利用ANSYS/Ls-dyna有限元分析软件对复合材料的射流冲孔加工过程进行了仿真，并将试验结果与仿真结果进行了对比分析，发现仿真与试验吻合度很高，验证了仿真模型的可行性与有效性，体现了其在工程上的应用价值。

作者：蔡志刚；陈晓川；王迪；鲍劲松 单位：东华大学机械工程学院