碳纤维复合材料钻孔出口椭圆形分层缺陷的研究

第４０卷第１２期机械工程学报ｖｏｌ４０Ｎ０１２２００４年１２月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＭＥＣＨ［ＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤｅｃ．２００４

碳纤维复合材料钻孔出口椭圆形

分层缺陷的研究水

张厚江

（北京林业大学工学院北京１０００８３）

陈五一陈鼎昌

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京１０００８３）

摘要：碳纤维复合材料钻削孔出口附近孔壁周围材料的分层是整个孔分层缺陷的最严重部位，它主要是由于钻削

轴向力引起的Ｉ型（张开型）裂纹破坏造成的。将钻头前端未切削的工件材料部分定义为叠合层，指出叠合层的刚度分布情况是决定各个层间分层形状的关键因素。通过对叠合层刚度取向及其与分层尺寸间关系理论分析发现，以钻头轴线为中心的分层尺寸与周向角度之间存在着椭圆或近似椭圆函数关系，从而阐明了多向碳纤维复合材料孔出口椭圆形分层产生的基本原因。叠合层上刚度最大的方向也是产生最大分层缺陷的方向，叠合层主刚度方向弯曲刚度与椭圆分层长轴角问的函数关系式可以通过一系列分析和相应的力学公式推导求得，在对该函数关系式微分后即可求得椭圆形分层长轴角的数值。

关键词：碳纤维复合材料（ｃＦＲＰ）钻孔椭圆形分层叠合层长轴角

中囤分类号：ＴＱ３２７

０前言

分层是指由层间应力或制造缺陷等引起的复合材料铺层之间的脱胶分离破坏现象。在碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）钻孔过程中，孔壁周围材料出现的层间分离破坏是钻削加工最主要的缺陷之一【ｌ。Ｊ。

ＨＨｃｈｃｎｇ等【１１假定纤维复合材料钻孔出口的分层为圆形，将钻头简化为一平头圆柱体，推导出一个不产生分层的轴向力的临界值方程。ｓ．Ｊａｉｎ等口，”将纤维复合材料钻孔出口的分层形状假设为椭圆型，将钻头简化为一头部带圆锥的圆柱体，也推导出了一个不产生分层的临界轴向力方程。比较前两组人的工作，显然后者的假设条件更合理些，结论也更符合实际一些。但无论怎样，由于缺乏有效的分层缺陷检测手段，这些假设都是在没有试验基础上提出的，这难免会带来一些与实际情况不很相符的情况出现。

作者在前面的工作中卜”，利用声学显微镜和氯化金渗透液检测了碳纤维复合材料钻孔分层缺陷的立体情况。在总结检测试验结果的基础上，总结出了三维钻孔立体分层模型：多向碳纤维复

・人事部２００２年度留学回国人员科技活动择优资助项目。２００４０２２７收到初稿．２００４０９２５收到修改稿合材料钻削后孔壁周围材料的分层由出口侧分层和入口侧分层两部分组成，出口侧分层尺寸远远大于入口侧分层尺寸；入口侧分层为圆形，出口侧表面几层分层为椭圆形，深层分层仍为圆形：出口侧椭圆分层区内每一层间分层的长轴方向各不相同。

将在作者前面已有的检测结果基础上，对多向碳纤维复合材料钻孔出口侧出现的椭圆形分层的形成机理进行分析和探讨，并给出椭圆形分层长轴角的计算方法。

１椭圆形分层形成原因

由参考文献【４】已知，孔出口侧的分层主要是由于钻削轴向力引起的Ｉ型（张开型）裂纹破坏造成的。钻头前端未切削部分由一至几层铺层组成（如图ｌ所示１，在此将这部分材料定义为“叠合层”。叠合层的刚度情况是决定各个层间分层形状的关键因素。

碳纤维复合材料（Ｃｎ冲）板材的每一铺层的厚度均为固定值（一般约为Ｏ．１２５∞），且每一铺层均为正交各向异性。每一铺层在平行于自身的平面上

都有两个主刚度方向，一个沿纤维方向∞，也是该铺层刚度最大方向；另一方向垂直于纤维方向∽，也是该铺层刚度最小方向（如图２所示）。

　万方数据

机械工程学报第４０卷第１２期

茹一图２单个铺层主刚度方向铺层方向是指单个铺层的纤维方向，显然铺层

方向与该铺层的最大主刚度方向∽相同，所以可以用最大主刚度方向表示铺层方向。铺层角度是指单个铺层的铺层方向与板材长度方向间的夹角。对多向ｃｎｏ来讲，组成钻头前端未切削部分叠合层的各个铺层的铺层角度各不相同，但主要采用０。、９０。、＋４５０、－４５０等几种固定角度，即叠合层的每一铺层的铺层方向常见的有４种可能，如图３所示最上侧为孔出口侧最外层常见的４种铺层方向。

第１、２、３铺层合图３叠合层各铺层ｚ主刚度方向组合情况

出口侧第２层的铺层方向同样主要有４种。对应于第ｌ层的每一铺层方向，第２层可能有４种不同的铺层角度，即第１、２层组合在一起，共有１６种铺层方向组合。图３所示第２排为与第１层Ｏ。铺层方向相对应的４种１、２层铺层组合情况。

第３层的铺层方向也同样主要有４种。对应于第１、２层的每一铺层组合，第３层也可能有４种不同的铺层角度，即第１、２、３层组合在一起，共有６４种铺层方向组合。图３所示第３排为与第２排第２种情况相对应的４种１、２、３层铺层综合情况。再考虑到下面的第４层、第５层，…，会有更多的

铺层方向组合可能性出现。

无论对哪一种铺层组合情况，为使问题简化，将所形成的叠合层都近似看作是一正交各向异性材料，即叠合层在板面上有两个相互垂直的主刚度方向：模量最大的主刚度方向（方向１）和模量最小的主刚度方向（方向２），如图４ａ所示。

假定在轴向力作用下产生的分层为任意形状。由于叠合层的力学性质是对称于钻头中心点Ｄ的，而在分层部分的周边，层间粘结树脂强度是均匀的，所以分层形状应当对称于钻头中心点０。

口、６分别为叠合层两主刚度方向（方向１、２）上的分层尺寸一半值。如图４ｂ、４ｃ所示，叠合层在任意通过钻头中心点Ｄ的方向（包括方向ｌ、２）上在

中心点０处的垂直变形是一样的，均为ｗ０。显然，在这种中心点发生同样垂直变形的前提下，哪一方向上的折算刚度系数越大，则这一方向上的分层尺寸就越大。方向１折算刚度系数最大，产生的分层尺寸口最大；方向２折算刚度系数最小，产生的分层尺寸６最小。在任意方向上的分层尺寸与该方向

上的叠合层折算刚度系数之间应为幂函数关系，即

名＝吼ＫⅣ＞０

式中ｋ——与方向ｌ成口角的ｘ。方向上的分层

尺寸一半值

Ｃ——常数

●）ｔ

，，《陬，罐荔《

（ａ）

凡

壮兰旨Ｌ

（ｃ）

图４叠合层的变形情况

　万方数据