王玉果，徐靖宇，林 彬

(天津大學(xué)先進(jìn)陶瓷與加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀和微觀上組成具有新的物理或者化學(xué)性能的材料．陶瓷基機(jī)織復(fù)合材料因?yàn)槠湔w性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐高溫、抗損傷性好、成本相對(duì)較低等優(yōu)異特性，在國(guó)防科技和航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域中具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?/p>

對(duì)于機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有較多研究，陳凡軍等[1]分析了三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)，將建立的幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件中對(duì)彈性模量進(jìn)行了預(yù)測(cè)；董偉鋒等[2]提出了一個(gè)新的2.5維機(jī)織物復(fù)合材料有限元模型，該模型較為真實(shí)地模擬了織物內(nèi)纖維束的輪廓結(jié)構(gòu)和走向，以機(jī)織結(jié)構(gòu)和纖維束排列密度為參數(shù)，詳細(xì)研究了對(duì) 2.5維機(jī)織復(fù)合材料彈性性能的影響情況；姚瑤等[3]研究了一種層層接結(jié)三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在三點(diǎn)彎曲交變循環(huán)載荷下的疲勞破壞與失效模式，破壞主要集中于經(jīng)紗屈曲起伏的最大曲率區(qū)域．國(guó)外學(xué)者 Ko等[4]提出力學(xué)分析模型，假定細(xì)觀結(jié)構(gòu)中紗線為折線波紋狀，經(jīng)角度轉(zhuǎn)換后得到組合的力學(xué)模型；Pochiraju等[5]通過建立幾何模型描述機(jī)織結(jié)構(gòu)中纖維分布情況，該模型將厚度方向上排列的紗線根數(shù)和紗線的幾何尺寸作為結(jié)構(gòu)參數(shù)，用正弦曲線來描述接結(jié)經(jīng)軸線的幾何形狀，用直線表示緯紗和填充紗的軸線形狀．

復(fù)合材料特殊的結(jié)構(gòu)使實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的精密高效加工成為制造領(lǐng)域的難題．隨著有限元技術(shù)的不斷成熟，部分學(xué)者通過有限元的方法對(duì)復(fù)合材料的加工進(jìn)行模擬研究，Wang等[6]對(duì)復(fù)合材料的磨削過程進(jìn)行了有限元模擬分析，并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)紗與緯紗間的界面破壞嚴(yán)重，在磨削過程中沿經(jīng)紗向外延伸與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好；路冬等[7]則將重點(diǎn)放在切削過程中基體破壞、基體損傷演化及亞表面損傷機(jī)制；高漢卿等[8]則是通過建立纖維、基體、界面等各個(gè)組成相獨(dú)自的材料本構(gòu)模型從而建立了多相態(tài)細(xì)觀仿真切削模型；伯明翰大學(xué)的Abena等[9]對(duì)于切削正交碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提出了一種新的界面模型；Solani等[10]則通過建立基于 Hashin強(qiáng)度準(zhǔn)則的損傷演化模型，討論了網(wǎng)格形狀、數(shù)目等對(duì)所建立模型的損傷演化的影響；Rao等[11]建立了三維微觀單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有限元模型，其切屑仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很接近；Mahdi等[12]通過建立二維有限元切削模型研究了切削力隨切削條件和材料各向異性的變化規(guī)律；李巾錠等[13]建立了單個(gè)磨粒磨削的模型，同時(shí)利用有限元手段可以對(duì)不同磨削條件下的情況進(jìn)行仿真分析．

聲發(fā)射(AE)技術(shù)因其能夠動(dòng)態(tài)檢測(cè)損傷的發(fā)生、擴(kuò)展及斷裂過程得到廣泛應(yīng)用，通過對(duì) AE信號(hào)的振鈴計(jì)數(shù)、振幅、能量等進(jìn)行分析，可以得到材料內(nèi)部變化的相關(guān)信息[14].基體開裂產(chǎn)生的 AE信號(hào)具有低幅值、中等上升時(shí)間及中等持續(xù)時(shí)間，纖維斷裂則產(chǎn)生高幅度、高能量和長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的 AE信號(hào)[15]．AE信號(hào)的峰值頻率與復(fù)合材料的損傷模式有對(duì)應(yīng)關(guān)系，基體開裂對(duì)應(yīng)低頻率范圍，纖維斷裂對(duì)應(yīng)高頻率范圍[16].

本文以淺交彎聯(lián)機(jī)織復(fù)合材料為例建立了三維細(xì)觀模型，利用有限元方法，首先從宏觀的角度對(duì)材料進(jìn)行單磨粒磨削仿真，再分別從微觀的角度對(duì)不同的磨削方向進(jìn)行模擬仿真，結(jié)合實(shí)驗(yàn)通過觀察材料表面加工形貌以及通過聲發(fā)射技術(shù)辨別材料損傷模式來對(duì)材料在不同磨削角度下的磨削性能進(jìn)行了研究分析．

1 機(jī)織復(fù)合材料細(xì)觀模型建模

1.1 機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

圖1為淺交彎聯(lián)機(jī)織復(fù)合材料實(shí)物圖．如圖所示，緯紗的紗線呈直線狀態(tài)，經(jīng)紗的紗線具有規(guī)律彎曲狀態(tài)，在緯紗的長(zhǎng)度方向上每?jī)蓪咏?jīng)紗與緯紗交織一次，構(gòu)成2.5維淺交彎聯(lián)機(jī)織物．

圖1 淺交彎聯(lián)機(jī)織物實(shí)物圖Fig.1 Shallow interlocking and intersecting woven composites

1.2 基于簡(jiǎn)化假設(shè)的幾何模型建立

在建立機(jī)織復(fù)合材料模型前，針對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化假設(shè)[17]．

(1) 圖2中的經(jīng)紗橫截面為矩形，緯紗橫截面為雙凸透鏡形，緯紗軸線為直線，經(jīng)紗軸線為曲線．

(2) 織物結(jié)構(gòu)均勻，經(jīng)緯紗排列規(guī)則、緊密，紗線截面積不變．

(3) 材料復(fù)合過程在理想條件下進(jìn)行，纖維與樹脂間的界面(由基體和增強(qiáng)相通過化學(xué)反應(yīng)生成的一層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì))性能良好，樹脂中沒有裂痕、缺陷和氣泡．

細(xì)觀模型中對(duì)復(fù)合材料的各個(gè)組分(纖維、基體、界面層)單獨(dú)建模，如圖2所示．

圖2 復(fù)合材料細(xì)觀幾何模型Fig.2 Meso-geometric model of composite materials

2 有限元模型及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 材料參數(shù)

復(fù)合材料由黏結(jié)層、纖維束(經(jīng)紗、緯紗)以及基體組成，其中纖維束為橫觀各向同性材料．纖維由石英纖維構(gòu)成，基體由 SiO2基體構(gòu)成，材料參數(shù)如表 1所示[18]．

表1 石英纖維和基體材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of quartz fiber and matrix

2.2 材料本構(gòu)模型及有限元設(shè)置

本文采用細(xì)觀組分級(jí)的失效判據(jù)來模擬復(fù)合材料漸進(jìn)損傷/失效的過程．對(duì)于纖維損傷，采用Hashin失效準(zhǔn)則中纖維組分的失效判據(jù)，失效準(zhǔn)則如下所述．

纖維拉伸失效，時(shí)：

纖維壓縮失效，時(shí)：

纖維橫向剪切損傷，時(shí)：

纖維橫向剪切損傷，時(shí)：

基體采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則．界面層采用基于牽引力-位移本構(gòu)模型的 cohesive內(nèi)聚力單元，采用二次應(yīng)力失效作為損傷的起始準(zhǔn)則，即

式中：t1、t2為面內(nèi)剪應(yīng)力；t3為法向拉伸應(yīng)力；S、T、N分別為對(duì)應(yīng)的損傷起始值．損傷起始后，界面損傷的擴(kuò)展根據(jù)單元能量釋放率來決定，采用損傷擴(kuò)展準(zhǔn)則(B-K準(zhǔn)則)表征界面損傷擴(kuò)展，即

在三維有限元模型中，選用六面體結(jié)構(gòu)分網(wǎng)技術(shù)，單元類型選取C3D8R，即六結(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元，二維模型中，選用四邊形自由進(jìn)階算法劃分網(wǎng)格，單元類型選取 CPS4R，即四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)力四邊形單元，用內(nèi)聚力單元來模擬纖維基體間的界面層(cohesive)．磨粒進(jìn)給速度為 8m/min，磨削深度為0.015mm．

2.3 磨削加工實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過數(shù)控光學(xué)曲線磨床MK9025來對(duì)石英纖維增強(qiáng)SiO2基機(jī)織復(fù)合材料進(jìn)行磨削加工，磨削參數(shù)如表 2所示．通過掃描電鏡來觀察不同夾角的磨削加工的表面形貌特征，應(yīng)用聲發(fā)射(AE)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料損傷，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比．

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

3 結(jié)果分析與討論

本文首先從整體上對(duì)石英纖維復(fù)合材料的磨削加工過程進(jìn)行細(xì)觀尺度模擬仿真，再分別從微觀尺度建立三相(纖維-界面-基體)的幾何模型，探究不同纖維方向角對(duì)復(fù)合材料磨削性能的影響，從材料細(xì)觀尺度上的整體失效來推測(cè)材料微觀尺度上的局部破壞，從微觀尺度上通過實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合討論出材料磨削機(jī)理并與材料細(xì)觀尺度上的整體失效相對(duì)應(yīng)，進(jìn)而能夠更詳實(shí)地討論材料的磨削力、局部殘余應(yīng)力及磨削機(jī)理，為石英纖維復(fù)合材料的磨削機(jī)理研究提供一種新思路．

磨削加工其本質(zhì)上仍屬于切削加工，只不過是通過砂輪的磨粒、磨刃實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面進(jìn)行加工的．在磨削過程中參加切削的磨粒數(shù)很多，但砂輪表面上磨粒的形狀極不規(guī)則，參加切削工作的磨刃形狀也是不確定的．砂輪中的磨料磨粒是不規(guī)則的多面體，磨粒在砂輪表面上的分布也是隨機(jī)的，同時(shí)，由于磨粒在砂輪外圓周面上并不是等高地分布在同一外圓周上，因而砂輪表面上同時(shí)參加切削的有效磨粒數(shù)也是不確定的．為便于認(rèn)識(shí)磨削過程與揭示磨削機(jī)制，本文利用SolidWorks中二次開發(fā)的Rnd函數(shù)生成多個(gè)隨機(jī)平面，將磨粒切割成多面體，如圖 3所示，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行單磨粒磨削仿真．圖 4為對(duì)所建的復(fù)合材料細(xì)觀幾何模型進(jìn)行單磨粒磨削的仿真結(jié)果，在磨削過程中材料不斷受到磨粒擠壓、拉伸、彎曲、剪切的綜合作用，切屑的形成為基體破壞和纖維斷裂的結(jié)果，纖維周圍的界面發(fā)生破壞并形成溝壑．

圖3 磨粒幾何模型Fig.3 Geometric model of abrasive particle

圖4 復(fù)合材料細(xì)觀幾何模型的單磨粒仿真Fig.4 Single-abrasive particle simulation of composite microscopic geometric model

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由兩種不同的成分材料組成的，物理、力學(xué)性能相差較大，其磨削過程中的各種問題，如纖維拔出、折斷等在很大程度上取決于磨削方向與纖維方向之間的關(guān)系．為探究纖維角度對(duì)磨削性能的影響規(guī)律，本文基于纖維-界面-基體的三相微觀結(jié)構(gòu)[19]，建立了二維微觀有限元?jiǎng)討B(tài)磨削模型，以 45°為增量，選取不同夾角q(0°、45°、90°、135°)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)材料磨削過程中發(fā)生的損傷．

3.1 沿著纖維端面磨削

圖 5所示為纖維端面的磨削仿真結(jié)果，其中 M代表基體，F(xiàn)代表纖維．圖 6所示為通過實(shí)驗(yàn)獲得的沿纖維端面磨削的表面形貌．圖7所示為端面的聲發(fā)射頻譜及小波能量分布．

圖5 沿著纖維端面的磨削仿真結(jié)果Fig.5 Grinding simulation results along the end of fiber

從圖5可以看出，當(dāng)磨削方向沿著纖維的端面磨削時(shí)，材料受到磨粒的擠壓和剪切作用，當(dāng)壓縮應(yīng)力超過基體的抗壓強(qiáng)度時(shí)，基體發(fā)生破壞，引起基體和界面的碎裂和滑移，產(chǎn)生松散的切屑．當(dāng)磨粒接觸到纖維時(shí)，由于受到磨粒的擠壓與剪切作用，在纖維內(nèi)部產(chǎn)生垂直于纖維軸線的應(yīng)力，從應(yīng)力圖中可看出端部纖維存在殘余應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力超過纖維的剪切強(qiáng)度時(shí)，纖維被切斷．界面的裂紋沿著纖維長(zhǎng)度方向向下延伸，加工的表面較為平整，亞表面損傷的程度較輕，通過與實(shí)驗(yàn)獲得的材料破壞形貌(如圖6所示)比較可知，該方向的復(fù)合材料破壞模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好．

圖6 沿纖維端面的磨削表面電鏡圖像Fig.6 Grinding surface SEM image along the end of fiber

從圖 6中可以看出，沿著纖維斷面磨削時(shí)，纖維斷頭主要受到砂輪磨粒的剪切作用，受剪切作用而斷裂的斷頭端面呈平整型，有個(gè)別的纖維拔出現(xiàn)象發(fā)生．對(duì)應(yīng)的AE信號(hào)如圖7所示，AE信號(hào)集中在5～15kHz，材料在該頻率段內(nèi)主要發(fā)生基體破碎和界面剝離[20]，從聲發(fā)射能量分布并不能看出有大量纖維斷裂的跡象，其主要因?yàn)槔w維受到剪切的作用，而纖維剪切模量較小，產(chǎn)生的AE信號(hào)在低頻率段內(nèi)與其他損傷模式混淆．在30～35Hz頻率段內(nèi)能看到纖維受拉而發(fā)生纖維拔出的斷裂現(xiàn)象．

圖7 聲發(fā)射頻譜及小波能量分布(端面)Fig.7 Spectrum and wavelet energy distribution map ofacoustic emission signal(end of filer)

3.2 磨削方向與纖維的夾角為0°

從圖8可以看出，當(dāng)磨削方向與纖維夾角為0°，即磨粒磨削方向平行于纖維方向時(shí)，隨著刀具的進(jìn)給，處于磨削部分的基體不斷承受磨粒的擠壓，基體由于受到磨粒的擠壓作用發(fā)生斷裂，界面失效產(chǎn)生裂紋，造成纖維基體間界面脫黏，纖維受到磨粒不斷耕犁、擠壓作用發(fā)生類似懸臂梁的彎曲變形，當(dāng)纖維的彎曲應(yīng)力到達(dá)抗彎強(qiáng)度時(shí)，纖維斷裂．被加工的纖維表面凹凸不平；磨削加工的表面加工質(zhì)量較差，處于亞表面的基體和界面發(fā)生損傷，亞表面的損傷程度較輕．

如圖 9所示，加工后結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，磨削表面出現(xiàn)了長(zhǎng)度不一、參差不齊的纖維斷頭．這是由于纖維受到磨粒的擠壓、彎曲的復(fù)合作用，纖維斷裂隨機(jī)分布．大部分基體破碎，產(chǎn)生的裂紋沿著基體與界面進(jìn)行擴(kuò)展，導(dǎo)致界面脫黏現(xiàn)象，部分纖維拔出，部分基體由于黏結(jié)劑的作用黏附于纖維周圍．圖10為該方向的聲發(fā)射信號(hào)，信號(hào)在低頻率段的能量值較大，材料主要發(fā)生纖維基體界面破壞以及基體破碎，纖維斷裂的信號(hào)能量分布較少．

圖8 磨削方向與纖維成0°時(shí)的磨削仿真結(jié)果Fig.8 Grinding simulation results when the angle between the grinding and fiber direction is 0°

圖9 磨削表面電鏡圖像(＝0°)Fig.9 SEM image of grinding surface(＝0°)

圖10 聲發(fā)射頻譜及小波能量分布(＝0°)Fig.10 Spectrum and wavelet energy distribution map of acoustic emission signal(＝0°)

3.3 磨削方向與纖維的夾角為45°

如圖 11所示，DMICRTMAX為一無量綱，用來表征材料發(fā)生的損傷，當(dāng)磨削方向與纖維的夾角為45°時(shí)，與磨粒接觸的材料達(dá)到壓縮強(qiáng)度后，材料被壓潰；在磨粒不斷耕犁作用下，基體破碎，纖維發(fā)生斷裂，形成非連續(xù)塊狀切屑；沿纖維長(zhǎng)度方向界面脫黏的現(xiàn)象比較嚴(yán)重；亞表面損傷的程度并沒有隨著加工的進(jìn)行而得到緩解．

材料加工后表面形貌如圖 12所示，纖維受到擠壓、彎曲的復(fù)合作用發(fā)生斷裂、拔出，斷頭呈階梯形，表面平整度一般．圖 13是夾角為 45°時(shí)對(duì)應(yīng)的 AE信號(hào)，AE信號(hào)能量值分布在25～35kHz頻率段內(nèi)較多，材料主要發(fā)生纖維斷裂．通過磨削實(shí)驗(yàn)得到材料加工后的表面形貌和聲發(fā)射結(jié)果與仿真有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系．

圖11 磨削方向與纖維成45°時(shí)的磨削仿真結(jié)果Fig.11 Grinding simulation results when the angle between the grinding and fiber direction is 45°

圖12 磨削表面電鏡圖像(＝45°)Fig.12 SEM image of grinding surface(＝45°)

圖13 聲發(fā)射頻譜及小波能量分布(＝45°)Fig.13 Spectrum and wavelet energy distribution map of acoustic emission signal(＝45°)

3.4 磨削方向與纖維的夾角為135°

從圖 14可以看出，磨削加工后的復(fù)合材料表面同樣凹凸不平，纖維在磨粒作用下先被掀起然后折斷，斷面并不齊整，并引起周圍的界面開裂和基體破碎，形成凹坑；材料在磨粒擠壓作用下沿界面開裂，裂紋沿著纖維長(zhǎng)度方向向下延伸，并造成纖維、基體界面嚴(yán)重脫黏；亞表面損傷的程度較重，加工表面呈鋸齒狀．

圖14 磨削方向與纖維成135°的磨削仿真結(jié)果Fig.14 Grinding simulation results when the angle between the grinding and fiber direction is 135°

如圖 15所示，夾角為 135°時(shí)，纖維束在刀具的推動(dòng)作用下，發(fā)生彎曲和折斷，纖維束之間有裂紋出現(xiàn)，缺陷擴(kuò)展到工件內(nèi)部，纖維斷裂長(zhǎng)度參差不齊，表面有部分凹坑，表面質(zhì)量較差．磨削實(shí)驗(yàn)與仿真分析結(jié)果吻合較好．對(duì)應(yīng)的 AE信號(hào)(圖 16)大多為纖維斷裂的聲發(fā)射信號(hào)，與仿真結(jié)果保持一致．

圖15 磨削表面電鏡圖像(＝135°)Fig.15 SEM image of grinding surface(＝135°)

3.5 磨削力分析

由圖 17可見，磨削力隨時(shí)間變化上下波動(dòng)，這是由于石英纖維復(fù)合材料是由纖維、基體和界面三相構(gòu)成，具有各向異性．因?yàn)槔w維的剪切強(qiáng)度比拉壓強(qiáng)度小，故沿著纖維端面磨削的磨削力要小于其他方向，趨于穩(wěn)定階段的 0°和 135°方向的磨削力要大于另外兩個(gè)方向．在磨削過程中，基體的磨屑呈碎末狀，纖維大多斷成或長(zhǎng)或短的條狀．當(dāng)沿著纖維端面磨削時(shí)，纖維受到剪切作用，由于纖維的剪切強(qiáng)度相比拉壓強(qiáng)度較小，磨削力要小于其他方向，故纖維的端面較為平整；當(dāng)沿著纖維方向磨削時(shí)，纖維主要受到磨粒的擠壓、耕犁，纖維拉壓強(qiáng)度高，故不易斷裂，加工過程磨削力較大，導(dǎo)致加工表面參差不齊，由于界面強(qiáng)度低，易形成層間剝離；當(dāng)夾角為 45°、135°時(shí)，纖維受到磨粒的剪切和擠壓共同作用，由于界面強(qiáng)度更低，處于亞表面的材料由于界面的失效發(fā)生損傷，夾角為 135°時(shí)，屬逆向磨削，纖維易被掀起發(fā)生斷裂，并留下凹坑，加工表面質(zhì)量較差．

圖16 聲發(fā)射頻譜及小波能量分布(＝135°)Fig.16 Spectrum and wavelet energy distribution map of acoustic emission signal(＝135°)

圖17 主磨削力隨時(shí)間的變化Fig.17 Change of main grinding force with time

3.6 材料磨削機(jī)理分析

在石英纖維機(jī)織復(fù)合材料加工過程中，由于在復(fù)合材料磨削過程中，基體失效應(yīng)力較小且其破壞能量低于纖維，導(dǎo)致基體先于纖維達(dá)到損傷起始準(zhǔn)則而發(fā)生破壞，結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)中復(fù)合材料磨削過程可以看到，基體發(fā)生壓潰和拉伸斷裂，由于刀具與工件之間的相互接觸導(dǎo)致在磨粒周圍形成一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到起始判據(jù)后，損傷開始發(fā)生，基體發(fā)生破壞，材料發(fā)生破壞，損傷發(fā)生以后，基體會(huì)沿著界面層失效而開裂．

纖維束在磨削過程中不斷受到磨粒擠壓、拉伸、彎曲、剪切的綜合作用而發(fā)生不同的失效，磨削纖維束端面時(shí)纖維斷頭主要受到磨粒的剪切作用而呈平整型，而 45°和 135°時(shí)的纖維束斷頭受到磨粒的剪切、彎曲、擠壓的復(fù)合作用發(fā)生斷裂、拔出而呈階梯型，沿著纖維長(zhǎng)度方向磨削時(shí)纖維主要發(fā)生彎曲變形，達(dá)到抗彎強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂長(zhǎng)度隨機(jī)分布，長(zhǎng)短不一．

結(jié)合仿真和SEM圖像可知，當(dāng)纖維方向角為0°時(shí)，大量基體破碎和界面失效發(fā)生，基體由于到達(dá)最大主應(yīng)力而發(fā)生碎裂，界面由于受到彎曲作用產(chǎn)生裂紋，材料此時(shí)的裂紋起始是由于基體最大主應(yīng)力水平和界面抗彎和抗壓強(qiáng)度主導(dǎo)的，裂紋擴(kuò)展沿著界面開裂．沿著纖維端面磨削時(shí)，由于界面剪切強(qiáng)度較低，所以裂紋沿著裂紋開裂并發(fā)生擴(kuò)展．當(dāng)磨削方向與纖維方向夾角為 45°和 135°時(shí)，磨削表面的基體破碎比較嚴(yán)重，從仿真圖像可以看出，處于亞表面的界面損傷較嚴(yán)重，界面脫黏被基體裂紋連接起來形成一條貫穿裂紋，裂紋的起始主要受基體最大主應(yīng)力水平和界面剪切強(qiáng)度影響，裂紋擴(kuò)展沿著纖維和基體間的界面開裂．

磨削過程中，機(jī)械應(yīng)力可分為擠壓應(yīng)力和切削應(yīng)力．磨粒向前移動(dòng)，使表面沿切削運(yùn)動(dòng)方向受到壓縮作用，而在其垂直方向受到拉伸作用，從而導(dǎo)致切削運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，而在其垂直方向產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力．這是假設(shè)磨粒尖端絕對(duì)鋒利下的分析結(jié)果．實(shí)際上，由于磨粒存在磨損和崩刃的情況，使磨粒刃前方和下方的材料受壓，切削引起的殘余應(yīng)力存在拉、壓應(yīng)力兩種可能，其數(shù)值小于擠壓作用引起的殘余應(yīng)力．

圖18 纖維和基體代表節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig.18 Stress-time curve of representative nodes of fiber and matrix

圖 18所示為沿著纖維端面磨削的代表點(diǎn)A、B(如圖 5所示)的應(yīng)力隨加工時(shí)間的變化，與纖維相比基體始終處于一個(gè)較高的正壓力值，表明殘余應(yīng)力的作用使纖維受到壓縮．從圖 5應(yīng)力云圖中可以看出，纖維端部相比其他位置應(yīng)力值最大，尤其在纖維與基體的交界面處．結(jié)合應(yīng)力云圖和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力曲線，基體的應(yīng)力值是一個(gè)低平值并出現(xiàn)負(fù)值，表面殘余應(yīng)力在一部分時(shí)間里使基體受到拉伸作用，加工過后基體的殘余應(yīng)力處于一個(gè)較小值．

4 結(jié) 論

本文主要的內(nèi)容是對(duì)石英纖維復(fù)合材料磨削過程進(jìn)行仿真分析，基于簡(jiǎn)化假設(shè)的條件下建立了與實(shí)際較相符的幾何模型．利用商業(yè)有限元軟件進(jìn)行材料的磨削仿真，力學(xué)模型中，纖維采用部分Hashin失效準(zhǔn)則，基體是各向同性材料采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則．最后通過磨削實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果相對(duì)比，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而得出以下結(jié)論．

(1) 在磨削過程中，復(fù)合材料會(huì)發(fā)生纖維斷裂、纖維拔出、基體破碎以及界面脫黏等，斷裂起始主要是由基體最大主應(yīng)力和界面強(qiáng)度主導(dǎo)的，產(chǎn)生的裂紋沿著界面擴(kuò)展．

(2) 纖維方向是影響復(fù)合材料磨削加工質(zhì)量的重要因素，沿著纖維端面的加工質(zhì)量較好，夾角為 0°和 45°時(shí)次之，135°時(shí)最差，纖維受剪切時(shí)的加工表面質(zhì)量相比纖維受拉壓發(fā)生斷裂后的表面質(zhì)量好．

(3) 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了細(xì)觀模型中纖維組分借鑒部分 Hashin準(zhǔn)則、基體組分采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則、界面層采用二次應(yīng)力準(zhǔn)則及 B-K準(zhǔn)則的本構(gòu)模型是適用的．

(4) 纖維束材料在不同磨削方向時(shí)由于受到不同磨粒的剪切、彎曲、擠壓和耕犁的綜合作用，斷頭分別呈現(xiàn)平整形、階梯形、隨機(jī)性分布的狀態(tài)．

(5) 加工后纖維的殘余應(yīng)力相比基體的殘余應(yīng)力大，在端面磨削中，殘余應(yīng)力使纖維受到壓縮作用且纖維端部應(yīng)力值最大．

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