1導讀
複合材料具有傳統材料所不具備的特殊性能特性，包括高強度、高剛度重量比以及高耐磨性。複合材料還可以根據特定的應用，通過改變其微觀結構來設計定製性能。因此，複合材料已經被大量地應用於多個領域。然而，複合材料的應用關鍵取決於其製造工藝。製造工藝可能會影響複合材料部件/結構的表面完整性，進而決定了它們的質量、可靠性和使用壽命。在複合材料的製造過程中，數值模型已被廣泛用於探索材料去除、刀具-基體-增強體之間的相互作用以及工件損壞。目前採用的數值模型主要包括有限元模型(FEM)、離散元模型(DEM)、分子動力學 (MD) 仿真以及通過組合這幾種方法實現的多尺度模型。每種模型都有其優點和局限性。有限元模型的理論基礎是連續介質力學，其不能很好地表徵材料的離散性、斷裂和損傷過程。離散元模型需要相對較高計算成本，且其需要很長時間來進行參數校核。分子動力學仿真計算成本巨大，且模型尺寸限制在納米級。多尺度模型能很好地表徵各個尺度下的變形，然而，由於不同尺度的銜接問題，目前使用多尺度模型進行複合材料加工的研究很少。
2022年7月，南方科技大學章亮熾院士團隊在複合材料力學領域的頂級期刊《Composites Part B: Engineering》在線發表了題為《On the numerical modelling of composite machining》的綜述文章。文章結合近二十年來相關論文的研究成果，全面總結分析了複合材料精密製造領域數字化技術的發展趨勢和亟需突破的關鍵問題，並就領域發展存在的跨尺度分析瓶頸問題展望了可能的突破方向。
2複合材料加工數值模型
2.1 有限元模型
有限元模型已被廣泛應用於複合材料加工分析。在有限元模型中，準確地描述工件材料的力學性能是非常重要的一步。通常有兩種方法來表徵複合材料的基本力學性能，即等效均質材料模型和多相模型。在等效均質材料模型中，複合材料被認為是均勻分布的，其力學性能可通過增強體和基體的平均得到。這種處理方式能顯著地提高計算效率，但由於忽略了增強體和基體之間的相互作用，其不能揭示複合材料微尺度變形機制。相比於等效均質材料模型，由於分別處理了增強體和基體，多相模型可以很好地表徵出複合材料中不同相之間的相互作用，用於複合材料加工過程中微觀變形機制的探索。然而，其計算成本遠高於等效均質材料模型。
2.1.1 等效均質材料(EHM)模型
等效均質材料模型已被用於評估纖維增強聚合物複合材料(FRPC)在加工過程中的宏觀應力分布、塑性變形、切削力和加工誘導的亞表面損傷等特徵，也被用於研究纖維取向、切削深度和刀具幾何形狀對單向纖維複合材料切削過程中切削力和亞表面損傷的影響。如圖1所示，儘管等效均質材料模型不能很好地預測複合材料加工過程中的推力，通過使用一種結合自適應網格技術和密度的微觀宏觀建模方法，也能得到與實驗測量結果比較一致的切削力。此外，如圖2所示，使用等效均質材料模型預測的切屑形成機制與實驗觀察的結果也比較吻合。
圖1 （a）切削力（Fc）和（b）推力（Ft）的測量值與預測值對比。
圖2 碳纖維增強聚合物加工過程中切屑形成比較：（a）實驗結果和（b）有限元模型結果。
2.1.2 多相（MP）模型
除了計算切削力、應力和應變分布、塑性變形和材料失效外，多相模型還可用於揭示基體、增強體和刀具之間的相互作用，從而理解材料去除和表面生成機制。使用多相模型進行複合材料加工，需要為複合材料中每個組成成分指定適當的材料屬性和本構模型，包括基體（本構模型、切屑分離準則）、增強體（種類、形狀、分布等）和增強體-基體界面（粘附界面、摩擦界面和內聚界面）。不同於等效均質材料模型，使用多相模型，可以很好地預測切削過程中的切削力和推力。有時為了節約計算資源並且得到精確的結果，也會將MP模型和EHM模型相結合，如圖3所示，通過MP和EHM的聯合建模，詳細地揭示了纖維取向和熱效應對切屑形成機制的影響。
圖3 (a)開始時和(b)長距離切割後的溫度分布和材料去除。
多相模型也被用來進行顆粒增強型金屬基複合材料（PRMMCs）的加工模擬，闡明加工過程中顆粒-基體脫粘、顆粒斷裂和脫落、刀具-顆粒相互作用、溫度預測和加工部件的表面缺陷完整性。研究發現，加工的表面完整性受到加工參數和PRMMCs材料屬性的顯著影響：更高的進給率會導致更嚴重的殘餘應力和損壞率，更高的切削速度會導致更嚴重的亞表面損傷，較大的切削深度導致更多的邊緣缺陷和更高的表面粗糙度。
研究還發現，在加工過程中，PRMMCs的損傷，如顆粒斷裂和基體-顆粒剝離，受應力/應變分布的影響很大。根據刀具與顆粒的相對位置，刀具與顆粒的相互作用可以分為三種情況。如圖4a所示，當顆粒位於刀具下方時，顆粒與刀具之間的基體承受了很高的壓應力，而顆粒與基體右下方的接觸面會受到拉應力的作用。這樣的應力分布可能會導致顆粒的剝離。如圖4b所示，當刀具與顆粒直接接觸時，會在顆粒中產生高的相互垂直的拉壓應力。如果應力足夠高，顆粒就會發生斷裂。如圖4c和4d所示，隨着工具的進一步推進，顆粒會被剝離並犁過基體，留下一個空腔，並沿着刀具的側翼面滑出。
圖4 顆粒位於切割路徑上時應力場演變：（a）接觸前，（b）接觸開始，（c）接觸完成和（d）接觸後。
如圖5所示，當顆粒位於切削路徑上方時，顆粒在與刀具前刀面相互作用後會部分剝離並隨切屑向上移動。位於切削路徑上方的顆粒受到很高的壓應力（垂直於前刀面）和拉應力（平行於前刀面），這可能會導致顆粒的斷裂和基體-顆粒界面剝離。
圖5 顆粒位於切削路徑上方時應力場演變：（a）接觸前和（b）接觸階段。
當顆粒位於切削路徑下方時，如圖6所示，其受到的應力小很多，且沒有顆粒斷裂和基體-顆粒界面剝離的現象發生。
圖6 顆粒位於切削路徑下方時應力場演變：（a）接近階段，（b）接觸階段和（c）離開階段。
通過考慮PRMMCs中顆粒的彈性和斷裂，以及模擬PRMMCs的真實微觀結構，可以更準確地描述具有隨機形狀和隨機顆粒分布的PRMMCs的變形和失效。如圖7所示，在PRMMCs加工過程中，位於切削路徑上的顆粒被切斷或被壓入基體，導致顆粒斷裂並與基體剝離。被壓下的顆粒可能與分布在下方的其他顆粒發生相互作用，導致更多的顆粒斷裂或剝離，並在加工表面留下空洞和深坑。顆粒也可以被刀具拖動，犁過加工表面，形成大的空腔。
圖7 切削速度為100m/min，切削深度為（a）25µm和(b)50µm時的加工表面形貌。
2.2 離散元模型
離散元模型主要被用來研究顆粒材料和不連續材料的性能，以及某些材料在加工過程中的材料去除基本機制，如磨損過程中脫落顆粒粘附的影響和表面拋光過程中次表面損傷的演變。離散元模型也被用來揭示單向FRPC在橫向張力作用下的微觀破壞機制和正交切割中纖維取向的影響。如圖8a所示，在單向碳纖維增強型聚合物的正交加工過程中，當纖維取向為0°時，切屑是由聚合物的模式I斷裂和模式II斷裂共同形成的，並伴隨着纖維的屈曲斷裂和分層；當纖維取向為45°時，如圖8b所示，纖維被切削刃拉伸和剪切，切屑是通過將纖維/基體剪切到自由表面形成；當纖維取向為90°時，如圖8c所示，材料去除開始於纖維的彎曲，其導致沿纖維/基體界面的模式I斷裂，也觀察到了諸如纖維脫落和加工表面多條裂縫等損壞；當纖維取向為-45°時，如圖8d所示，纖維在切削過程中發生了明顯彎曲，並通過拉出而斷裂。這些現象與相應的實驗觀察的結果非常吻合。
圖8 正交切割中不同纖維方向時的切屑形成機制：（a）0°，（b）45°，（d）90°和（d）-45°。
值得注意的是，與有限元模型相比，離散元模型在模擬脆性基體材料的斷裂方面更有優勢，但其對應力和應變分布的計算能力較差。離散元模型在複合材料加工過程中的主要問題在於該方法的數學公式本身需要特別的細化。
2.3 分子動力學仿真
分子動力學仿真主要用於從原子的角度理解和解釋現有的實驗結果。使用分子動力學仿真，可以探索納米複合材料的一些基本特性。如圖9所示，利用分子動力學仿真，可以得出由於碳納米管的范德華力，碳納米管增強的環氧樹脂複合材料比純環氧樹脂基體顯示出更強的斷裂性能和抗裂紋增長性能。然而，分子動力學的納米加工仿真主要是針對單晶材料，目前還沒有關於複合材料加工分子動力學仿真的研究。
圖9 (a)(b)純環氧樹脂基體和(c)(d)為碳納米管/環氧樹脂複合材料在0.2和0.3應變下的狀態。
2.4 多尺度模型
多尺度建模的主要目的是為了捕捉不同尺度上的材料變形，實現高精度分析。目前，主要採用兩種框架結合原子尺度模擬和連續體模擬以實現原子尺寸精度的分析，即並發框架和分層框架。在並發框架中，工件材料被劃分為不同的區域，通過不同區域之間的信息傳遞，同時運行不同長度尺度的模擬。基於並發框架開發多尺度建模時，需要特別注意複合材料和納米複合材料的力學加工模型，並且應該能夠在納米分辨率下描述纖維/納米管的隨機取向和波狀的影響。
在分層框架中，獨立的模擬按長度尺度的順序進行，每個尺度中產生的信息（通常是材料特性）從較低的尺度依次傳遞到較高的尺度。例如，在使用分層框架處理A359/SiC/20p複合材料的加工時，首先使用分子動力學仿真來確定鋁和碳化硅之間的界面特徵，基於此建立了一個接觸界面模型，並將此模型應用於複合材料加工的有限元模型中。如圖10所示，通過這種方法得到的切削力和亞表面損傷深度與實驗所得非常吻合。
圖10 A359/SiC/20p複合材料加工時(a)切削力和(b)亞表面損傷深度的實驗和模擬結果的比較。
3小結
複合材料因其比傳統材料優越和可定製的特性，在許多工程領域變得越來越重要。然而，複合材料加工中遇到的困難仍然具有挑戰性，主要體現在加工的表面完整性和加工效率。今後研究中要深入透視複合材料的加工變形機理，基於包含隨機跨尺度因素的、具有微/納米分辨率的三維分析將至關重要。而隨着跨尺度研究的深入，預計一些在複合材料表徵中至今尚未能全面考慮的重要問題將得以解決。其中，特別值得注意的一個研究方向是採用可靠力學模型的數字表徵和人工智能（AI）相結合的方法，將有望成為精準預測複合材料表面完整性的基礎，成為研發無損製造技術的有效工具，成為突破當前跨尺度分析瓶頸的重要方向之一。
原始文獻
Liangchi Zhang, Zhonghuai Wu, Chuhan Wu and Qi Wu. On the numerical modelling of composite machining [J]. Composites Part B: Engineering, 2022, 241:110023.
原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836822004000?via%3Dihub
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