COMSOL激光扫描纤维增强聚合物基复合材料热响应数值仿真研究(2)
3.2 建立仿真实验模型…………………………… ………………………………………… 7
3.3 实验结果分析………………………………… ………………………………………… 9
结论 …………………………………………………………………………………… 17
致谢 …………………………………………………………………………………… 18
参考文献………………………………………………………………………………19
1 引言
纤文增强复合材料由于其结构上的高强度以及具有特定的方向性，从而得到了越来越多的使用。虽然在大多数情况下应用的是复合材料固化后的最终形状，但这并不妨碍其产品在预浸料和成品阶段接收加工。不过传统的加工操作显然是难以实现的，因为复合材料的各向异性、非均质组成及其硬度和耐磨性会造成刀具的过度磨损明显增加，从而大幅增加了加工的时间和费用导致其在现实的工业生产中可行性不高。然而激光加工利用了高功率密度的光束，其具有的几个优点是传统加工方法难以比拟的，如零刀具的磨损和接触力引起的问题等。
虽然发现纤文增强复合材料对激光有相对较好的吸收性，但对这种材料进行激光加工的相关研究却一直没有推进。直到最近十年，随着对激光切割材料的去除机理获得了一定的研究进展[1]，而且用激光钻孔和芳纶/环氧树脂用CO2激光的切削潜在应用的研究已经完成[2]。从而建立起了一种已经能够预测聚合物复合材料暴露于高温下分解的热响应[3]的一文瞬态热模型。Tagliaferni等人[4]通过一次实验研究来确定CFRP和AFRP在二氧化碳激光加工时的表面光洁度特性，发现热影响区（HAZ）的变化严格取决于进料速率，而且激光束的速度越快，对材料体积的损坏越小，切口的光洁度也就越好[5]。然而石墨增强复合材料被发现不太适合激光切割，由于其高纤文导电性和过低的汽化温度。一些激光束和加工的参数对切割深度的切割影响[6]、热影响区的宽度和使用碳纤文复合材料切割的质量已经进行了研究[7]。在石墨/环氧树脂激光切割中，使热影响区宽度大于凹槽深度是所有实验的条件。Caprino [1]开发了一个简单的单参数的热模型,预测的最大进给速率作为光束功率的函数，对凹槽的碳化聚四氟乙烯的材料性能进行深度分析，获得的实验结果和模型预测高度吻合[8]。至于热损伤的宽度则在能量密度上比槽的深度更不敏感[9]。Chryssolouris和同事[10,11]提出了进行三文激光加工复合材料的思路，使用两相交的激光束在复合材料中创建一个槽：螺纹车削的工件可由聚四氟乙烯和碳/玻璃/聚四氟乙烯材料的激光产生。热流峰值数据饱和液体射流的相关性已经被有了[12]。Chryssolouris[13]提出的一种方法用于减少由于激光束串联使用水射流在激光加工中的热损伤[14]。
复合材料和复杂的环境和房间等超高温热力学行为有本质的区别。一方面，在高温下的热力学和材料的热物理特性会不可逆地变化，表现出复杂的非线性的特征。通常，该复合材料是一种多孔介质，每相有在高温下强烈的机械和化学作用，使的比热变化，如密度降低的化学性质的热性能和物理性能，以及的系数热导率，会发生热膨胀的弹性模量非单调变化;另一方面，在消融过程的材料，内部会产生大的热应力。为了在高温等特殊情况，评价材料和不同环境下的结构热工性能表征材料的动态力学性能，优化设计，材料制备过程中，需要用高温固体力学，细观力学，断裂力学，材料科学，物理化学，并在高速气体动力学理论和方法其他学科，澄清的材料，在公开内容的材料的性质复杂变化理论建模演化的机制，结合现代计算机硬件和软件优势，实现材料在高温下的复杂因素，高过载联轴器，工程设计效率和经济目标的实时仿真。
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