用于超声加工SiO2f/SiO2复合材料的微观-宏观损伤演化模拟方法

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Micro-macro damage evolution simulation approach for ultrasonic machining SiO 2f/SiO 2 composites

　　摘要：由于固有的脆性及多相异质结构，石英纤维增强硅陶瓷基复合材料（SiO2f/SiO2）易遭受微观到宏观的加工损伤，这会影响导弹雷达罩和雷达天线窗口的可靠性。本研究基于代表体元方法建立了微观-宏观仿真模型，用于分析在纵扭超声振动辅助铣削工艺下SiO2f/SiO2复合材料的加工损伤演化过程。微观尺度建模分析了不同纤维取向下的材料损伤机制；通过代表体元模型研究了界面脱粘损伤的演化规律，并分析了纤维束的宏观等效力学性能。在此基础上建立了宏观铣削模型，考虑了纤维编织结构对应力传播路径及损伤演化行为的影响。该微观-宏观仿真模型通过切削力、表面形貌及损伤特征观察进行了验证。研究结果表明，纵扭超声振动辅助铣削工艺会促进纤维的脆性断裂和基体的微裂纹脱落，同时抑制传统铣削工艺中因弯曲和挤压导致的裂纹扩展及次表面损伤。该工艺通过延迟界面脱粘起始点，将传统铣削中快速的损伤扩展转变为可控的微脱粘演化过程，从而减少了纤维拔出以及坑洞、碎屑堆积和基体破碎等宏观缺陷。本研究为高质量SiO2f/SiO2复合材料在纵扭超声振动辅助铣削过程中的微观-宏观加工损伤分析提供了新的建模思路。

引言：由于具有高比强度、优异的耐高温性能和出色的刚度，陶瓷基复合材料逐渐成为高超音速飞机机体前端部件及航空发动机等极端环境下的首选材料[[1], [2], [3], [4]]。石英纤维增强硅陶瓷基复合材料（SiO2f/SiO2）由连续的SiO2纤维与SiO2陶瓷基体组成，通过纤维束编织结构（2.5D结构）来提升材料的微观-宏观韧性。这类复合材料还具备较高的韧性、良好的波传输性能和介电性能，因此成为下一代航空航天器及雷达罩的关键材料[[5], [6], [7]]。航空航天部件的使用性能取决于其加工表面的质量[[8], [9], [10]]。然而，SiO2基体与增强纤维具有不同的力学特性，且由于固有的脆性及多相异质结构，容易产生各种损伤。在传统切削过程中，纤维增强复合材料会经历塑性变形和撕裂，最终导致严重的加工损伤，如基体开裂、纤维与基体界面脱粘以及纤维拔出[[11], [12], [13]]。这些损伤会降低零部件的疲劳寿命和波传输性能，限制了SiO2f/SiO2复合材料在高端航空航天设备中的应用[14]。

相关研究主要聚焦于纤维与基体界面处的材料损伤机制以及内部缺陷，包括表面气孔、基体脱落形成的凹坑以及界面剥落导致的表面粗糙度增加[[15], [16], [17], [18], [19], [20]]。关于SiO2f/SiO2复合材料切削机制的研究，已从单颗粒划痕实验发展到砂轮磨削分析。单颗粒磨料划痕实验表明，划痕强度的波动是由纤维与基体界面及内部缺陷引起的，而切削力和划痕损伤速率则受划痕方向和纤维取向的影响[21]。张等人[22]对SiO2f/SiO2复合材料进行了单颗粒磨料划痕测试，结果发现基体裂纹的扩展会导致界面损伤和纤维脱粘，且纤维取向会影响划痕损伤的形态和模式。林等人[23,24]利用声发射技术，将3D SiO2f/SiO2复合材料磨削过程中的频率信号与损伤模式相对应。半解析力学模型表明，统计磨削深度和砂轮颗粒数量会导致单颗粒划痕与砂轮磨削之间的材料去除机制存在差异。人们还进一步研究了超声加工参数与切削力、表面粗糙度之间的关系[25]。这些从微观到宏观的不同层次的系统研究，加深了人们对SiO2f/SiO2复合材料材料去除机制的理解。

超声振动辅助切削工艺将连续切削转变为由强烈振动引发的间歇性切削。刀具在回程时能够改变接触面的摩擦方向，从而降低平均切削力和热量积累，避免热损伤。高频冲击会产生应力波，减轻作用在纤维上的准静态切削载荷[[26], [27], [28]]。超声划痕实验展示了SiO2纤维与基体的断裂去除机制，结果表明，在超声振动的作用下，刀具的运动轨迹变长，材料的划痕抗力降低，材料去除效率提高[29]。姚等人[30,31]提出了旋转超声铣削过程中切削力分量的预测模型，进而利用有限元方法建立了表面形貌的数值预测模型。此外，通过旋转超声端面磨削与冰致密化预处理相结合的工艺，可以减弱内部缺陷，降低表面粗糙度和纤维脱粘损伤率[32]。研究表明，超声振动可以通过调控声能和振动能量来抑制SiO2f/SiO2复合材料中的加工缺陷。开发更高效的超声铣削技术已成为克服传统磨削效率低这一瓶颈的研究方向。纵扭超声振动辅助铣削工艺是一种先进的复合材料切削技术[33,34]，它在碳纤维增强复合材料的孔加工方面取得了良好效果，同时也能有效抑制芳纶纤维增强塑料中的次表面损伤并控制毛边生成[[35], [36], [37], [38], [39]]。

随着有限元仿真技术的进步，复合材料切削损伤行为的仿真精度也在不断提升。目前的数值仿真主要采用两种策略：连续损伤力学和离散损伤力学。连续损伤力学通过定义界面层或单元来模拟损伤，从而揭示了裂纹沿界面扩展等机制[40,41]；离散损伤力学则利用零厚度粘聚单元来描述界面分离行为，而超声振动能够减少纤维弯曲并抑制裂纹扩展[[42], [43], [44], [45]]。目前针对陶瓷基复合材料的多尺度仿真主要侧重于力学性能分析，而涉及材料去除行为的多尺度加工建模研究仍然相对较少[[46], [47], [48], [49]]。仿真模型已经从早期的均匀化或简化模型[50,51]发展为微观尺度模型，如单颗粒刮擦模型[[52], [53], [54]]、多颗粒磨削模型[30,55,56]以及正交切削模型[[57], [58], [59]]，这些模型揭示了纤维排列和取向对应力场及材料去除过程的影响。然而，动态和瞬态切削的复杂效应并不仅限于微观层面。现有研究多集中在微观材料去除机制上，而对刀具与工件之间动态相互作用以及宏观尺度下加工表面完整形貌的数值仿真仍显不足。尽管已有学者尝试开展微观-宏观尺度的仿真分析[55,60,61]，但这一领域仍有待进一步探索。

目前，对于纵扭超声振动辅助铣削工艺和传统铣削工艺中缺陷萌生、界面脱粘、应力场演化及材料去除整个过程的机理，我们仍缺乏深入的理解。本研究基于代表体元方法建立了微观-宏观仿真模型，用于分析纵扭超声振动辅助铣削过程中SiO2f/SiO2复合材料的损伤演化过程。微观尺度建模分析了不同纤维取向下的材料损伤机制；通过代表体元模型研究了界面脱粘损伤的演化规律，并分析了纤维束的宏观等效力学性能。在此基础上建立了宏观铣削模型，考虑了纤维编织结构对应力传播路径及损伤演化行为的影响。这项研究对于理解高质量SiO2f/SiO2复合材料在纵扭超声振动辅助铣削过程中的微观-宏观损伤机制具有重要意义。

本文的其余部分结构如下：第2节介绍了有限元仿真设置，包括材料本构模型和损伤准则、代表体元及均匀化方法、铣削模型构建以及纵扭超声振动辅助铣削刀具的空间运动轨迹分析；第3节阐述了实验系统与测量方法，涵盖了材料结构特性、加工平台构建、切削力监测系统以及表面形貌表征方法；第4节则通过分析切削力、应力分布、材料去除情况、损伤演化规律以及界面脱粘演化规律，探讨了模型的应用效果与实验结果。

片段一：有限元仿真设置
本研究建立了微观-宏观仿真模型框架，该框架系统地描述了SiO2f/SiO2复合材料的纤维断裂机制和表面损伤行为。该框架包含三个层级：基于均匀化方法的代表体元模型、聚焦于单个纤维和局部基体的微观尺度模型，以及基于实际编织结构的宏观尺度模型。通过对材料进行全面分析……

片段二：实验设置
实验中使用的工件材料相关信息见第3.1节，其中介绍了2.5D编织结构SiO?f/SiO?复合材料的结构特性。第3.2节介绍了实验装置和测量流程，包括加工平台、切削力采集系统以及表面形貌表征方法。

片段三：结果与讨论
第4.1节通过多尺度仿真框架系统地揭示了纵扭超声振动辅助铣削工艺的加工损伤抑制机制。首先在微观尺度上分析纤维取向对切削力、应力分布及损伤演化的影响，然后利用代表体元模型确定纤维束的等效力学性能，并研究纤维与基体之间的界面脱粘行为，最后再分析宏观层面的相关现象。

结论：本研究建立了基于代表体元模型的微观-宏观仿真框架，用于分析纵扭超声振动辅助铣削过程中SiO2f/SiO2复合材料的损伤演化过程。该微观-宏观仿真模型通过切削力、表面形貌及损伤特征观察得到了验证。研究结果表明，纵扭超声振动辅助铣削工艺能够降低切削力并优化应力分布。

作者贡献说明：
Tianyu Wang：撰写原始稿件、实验研究、资源获取、正式分析。
Xiaoliang Liang：撰写审稿与编辑工作、项目管理、资金申请。
Lun Wo：正式分析。
Kexian Liu：监督工作、可视化处理。
Haiqiang Yu：监督工作、资源协调。
Yukui Cai：监督工作、资源协调。
Zhanqiang Liu：监督工作、资金申请。

作者贡献具体描述：
Tianyu Wang：撰写原始稿件、模型验证、方法设计、实验研究。
Xiaoliang Liang：撰写审稿与编辑工作、项目监督、资金申请、正式分析。
Lun Wo：撰写审稿与编辑工作、模型验证、实验研究。
Kexian Liu：撰写审稿与编辑工作、模型验证、实验研究。
Haiqiang Yu：方法设计、实验研究。
Yukui Cai：撰写审稿与编辑工作、监督工作。
Zhanqiang Liu：撰写审稿与编辑工作、监督工作。

Tianyu Wang|Xiaoliang Liang|Lun Wo|Kexian Liu|Haiqiang Yu|Yukui Cai|Zhanqiang Liu
山东大学机械工程学院，中国济南250061