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摘要：針對磨料水射流加工碳碳復合材料的沖孔過程，結合Fluent分析高壓磨料水射流的射流壓力、靶距對碳碳復合材料沖孔深度的影響；利用ANSYS/Ls-dyna有限元分析軟件建立磨料和水的射流沖擊模型，針對射流壓力是沖孔分層的的主要因素進行仿真，得出材料失效時最大的應力和整個射流過程中應力的變化規律，由最大應力所在位置的層間y向位移變化確定分層情況；根據仿真結果進行相應的試驗研究，并將仿真結果與實驗結果進行對比分析，驗證了射流仿真模型的可行性和有效性。

關鍵詞：磨料水射流；碳碳復合材料；ANSYS/Ls-dyna；數值模擬

0前言

1碳碳復合材料是一種先進的碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料，是輕質高效結構設計的理想材料，也屬于難加工材料。目前碳纖維復合材料已廣泛應用于航空航天、汽車、造船等領域的大型結構件中。鉆孔是碳碳復合材料后加工工藝中一個極為重要的工序，用常規方法加工出來的制孔精度和制孔質量難以保證。作為迅速發展起來的高壓水射流技術加工精度高、效率高、質量好，在加工復合材料方面有較好的應用前景[1]。作為迅速發展起來的磨料高壓水射流已經成為近十幾年來發展最快的特種加工技術之一，特別適合對微小零件進行切割和精密鉆孔，有著廣闊的應用前景[1]。磨料水射流將純水用超高壓加壓器，使水的壓力達到280～400MPa左右，用高速水射流加速磨料(石榴石)粒子，混合后從割槍直徑為0.2～0.4mm的細小噴嘴射出，射流速度可達800～1000m/s，沖擊工件去除材料。國內外對磨料水射流加工的研究成果卓著，但尚缺少關于磨料水射流加工復合材料機理和工藝參數的相關研究[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，而且在對復合材料和脆性材料加工的研究中，多部分研究停滯于實驗室研究，在工程運用上還需要很多更深入的研究[3]。近幾年來，不少學者針對復合材料的加工問題，提出了不同的方法：鮑永杰等[4]采出聚晶金剛石(Polycrystallinediamond，PCD)刀具加工；HASHISH等[5]通過大量試驗指出優化工藝參數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]通過試驗了解了磨料水射流的切削參數對碳纖維增強材料的鉆孔過程中的分層程度的影響，并優化處理了參數；ZHANG等[6]通過在復合材料和脆性材料上加工鉆削深小孔的試驗，創建了經驗模型，預測鉆孔深度；JOHN等[7]使用傳統鉆孔和水射流鉆孔碳纖維材料研究了其疲勞特性，發現加工時間長會引起的分層裂紋開始蔓延；也有學者采用數值模擬的方法進行分析[8]；李根生等[9]運用流固耦合理論，提出并建立了高壓水射流沖擊過程的數值分析模型；張成光等[10]采用ANSYSFluent對磨料射流進行瞬態CFD仿真，建立了射流加工塑性材料的去除模型；苗新剛等[11]利用Ls-dyna有限元軟件對一些常見高硬脆材料的水射流沖擊過程進行了仿真。這些主要是針對鉆孔時出現的分層情況，出口撕裂等對刀具提出的一些改進方法，提高孔的加工精度和質量，以及采用數值模擬的方法仿真射流的過程，而對磨料射流加工碳碳復合材料鉆孔時的工藝參數研究并不完善。采用水射流技術可以顯著降低傳統機械加工的成本，提高加工效率。本文通過ANSYS/Ls-dyna軟件，建立磨料和水的射流沖擊復合材料模型，對射流加工過程采用流固耦合進行仿真，對高壓水射流沖擊過程中流體壓力和復合材料內部應力進行數值計算，找到射流壓力影響復合材料分層的應力變化規律，可以減少大量試驗帶來的問題，并將仿真結果與對應的試驗結果進行對比分析，驗證射流仿真模型的正確性和有效性。

1射流沖擊建模

1.1沖擊模型的建立復合材料具有各向異性、層間剪切等特性，建模的正確性對仿真有很大影響，本文通過ANSYS軟件建立射流加工碳碳復合材料的幾何模型。在ANSYS中選用solid164實體單元進行建模，對復合材料的厚度及鋪層角度方向進行設置。

1.2模型參數與設置水射流經噴嘴高速射出對工件產生沖擊作用，流體介質為水和磨料的兩相流耦合，初始時水相體積分數為0.9，磨料體積分數0.1，入口為射流壓力入口，按公式(1)Bernoulli方程轉換為其對應的噴嘴出口速度；出口為射流壓力出口，為標準大氣壓；其它面均被視為無滑移壁面。兩相流材料特性設置：水密度998kg/m3，黏度8×10-4kg/m3.s，磨料顆粒為石榴石，硬度為7.5，粒度為80#，密度為3.4~～4.3g/cm3，黏度1×10-5kg/m3•s，其它部分計算參數可根據仿真軟件默認要求進行設置。在非淹沒條件下進行固液兩相流耦合沖孔過程仿真分析。

2控制方程與邊界條件

2.1水射流控制方程與邊界條件

2.1.1水射流控制方程水射流的控制方程包括連續性方程、能量方程和k-ε方程[13]，這三個方程作為高壓水射流射流流場的數值模型，在水射流數值仿真計算和射流壓力在材料內部應力分布狀態的計算中常用到。

3仿真分析

在仿真過程中射流直徑、射流角度保持不變的情況下，改變沖孔加工過程中的水刀壓力、水刀移動速度及靶距參數，分析其對加工孔質量的影響規律。運用ANSYS/fluent有限元分析軟件對高壓水刀切割復合材料鉆孔的固液兩相流耦合分析，采用正交試驗的方法進行仿真，確定合適的壓力范圍和最佳靶距，以及分析各個參數對加工結果的影響；射流壓力分別取值為280MPa、320MPa、350MPa、375MPa、400MPa、425MPa、450MPa，射流靶距為3mm，切割速度為100mm/min，射流角度為90度。

4試驗與結果分析

為了驗證射流仿真過程中的射流壓力、靶距與孔質量是否分層之間的聯系，針對上述仿真得到的加工工藝參數進行磨料水射流沖孔試驗，然后通過超聲掃描顯微鏡(SAM300)對實際加工孔進行分層缺陷的檢測。

5結論

(1)通過Fluent流體分析軟件，采用正交試驗的方法仿真了射流壓力、靶距與沖孔深度之間的關系，以及分析了在加工工藝中射流壓力是主要的影響因素，建立了工藝參數與加工深度的關系：隨射流壓力的增大，切割深度也越大，但射流壓力過大，作用在層與層間的力大于層間的剪切強度易造成分層。(2)針對射流壓力是沖孔分層的的主要因素進行仿真，根據材料失效時最大的應力和整個射流過程中應力的變化規律，通過查看最大應力所在位置的層間y向位移變化確定分層情況，這樣可以減少大量試驗帶來的問題。(3)利用ANSYS/Ls-dyna有限元分析軟件對復合材料的射流沖孔加工過程進行了仿真，并將試驗結果與仿真結果進行了對比分析，發現仿真與試驗吻合度很高，驗證了仿真模型的可行性與有效性，體現了其在工程上的應用價值。

作者：蔡志剛；陳曉川；王迪；鮑勁松 單位：東華大學機械工程學院