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A study of energy dissipating mechanisms in orthogonal cutting of UD-CFRP composites

材料科学 纤维 复合材料 有限元法 碎屑形成 破损 失效模式及影响分析 基质(化学分析) 消散 碳纤维增强聚合物 结构工程 刀具磨损 机械加工 复合数 工程类 物理 冶金 热力学
作者
Xiaoye Yan,Johannes Reiner,Mattia Bacca,Yusuf Altintaş,Reza Vaziri
出处
期刊:Composite Structures [Elsevier BV]
卷期号:220: 460-472 被引量:92
标识
DOI:10.1016/j.compstruct.2019.03.090
摘要

This paper presents a three-dimensional thermo-mechanical finite element (FE) model on the micro-scale for the orthogonal cutting simulation of unidirectional carbon fiber reinforced polymer (UD-CFRP) materials. Fiber, matrix and the fiber-matrix interface are modeled separately to simulate failure mechanisms associated with fiber breakage, matrix cracking and fiber-matrix debonding. Experiments on orthogonal cutting of UD-CFRP workpieces with various fiber orientations have been conducted and compared to the micro-scale FE simulations. The good correlation between the experimental and numerical results with respect to cutting forces, chip formation and surface quality enables for an in-depth FE energy analysis to quantify dominating failure mechanisms in different fiber orientations. In addition, the contribution of each fiber failure mode during orthogonal cutting is evaluated. It is found that dissipated energies associated with various failure modes and friction vary with the fiber orientations and that the simulation provides insight into the characteristic fiber orientation-dependent quantities observed in the experiments such as chip formation and surface morphology. Finally, a sensitivity analysis is carried out to assess the variation of the simulated cutting response with respect to input parameters with high uncertainty including friction coefficients or fiber strength values.
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