机械工程学报

作者：傅国宇, 李皓, 武卫洲, 李士鹏, 赵庆, 秦旭达

单位：天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室 天津 300072

关键词：跨尺度建模,碳纤维增强复合材料(CFRP),有限元仿真,钻削加工,损伤机制；

基金：国家自然科学基金资助项目(52375461)。

碳纤维增强复合材料(CFRP)因其优异的力学性能和轻质特性，已广泛应用于航空、航天、交通运输和民用工业等领域。然而，CFRP的层状结构和各向异性在钻削过程中易产生分层、毛刺和撕裂等缺陷，严重影响连接质量和结构完整性。本研究开发了一种创新的跨尺度加工建模方法，将宏观、介观和微观尺度的材料模型融合到统一的有限元仿真框架中，系统地研究了CFRP在钻削过程中的力学行为和缺陷形成机制。利用Abaqus/Explicit软件，对CFRP层压板的钻削过程进行了详细仿真，揭示了不同纤维角度下的应力分布和损伤演变规律。仿真结果显示，在0°纤维角度下，钻削过程中应力集中在切削区，基体损伤面积减少了35.0%；而在90°纤维角度下，应力沿纤维方向传播，导致严重纤维拔出，表面粗糙且不规则。这一发现通过扫描电子显微镜(SEM)观察和表面粗糙度测量得到了验证。研究进一步表明，合理优化钻削参数和纤维角度可以显著减少加工缺陷，提高CFRP孔的表面质量。本研究不仅提供了理解CFRP钻削过程中应力分布和损伤演变的理论依据，还为优化CFRP加工工艺提供了实用指导。通过跨尺度建模方法的应用，可以有效预测和控制加工过程中的缺陷，提升CFRP结构部件的加工质量和使用寿命。

来源：2025年第7期

《机械工程学报》期刊编辑部

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