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Numerical Simulation and Experimental Validation of Cutting Mechanism of Carbon Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites

材料科学 机械加工 复合材料 计算机模拟 热塑性塑料 断裂(地质) 表面完整性 各向异性 机制(生物学) 热的 碳纤维 表征(材料科学) 数值分析 纤维 桥(图论) 碎屑形成 增强碳-碳 结构工程 脆性 机械工程 本构方程 组分(热力学) GSM演进的增强数据速率 损伤力学 材料性能 损伤容限 实验数据 断裂力学 数值模型 计算机科学
作者
Xingfeng Cao,Xiaozhong Wu,Xianming Meng,Sai Zhang,Tong Song,Pengfei Ren,Tao Li
出处
期刊:Polymers [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:18 (4): 464-464
标识
DOI:10.3390/polym18040464
摘要

Carbon fiber-reinforced thermoplastic composites (CFRTP) are widely used in automotive, aerospace, and other industries due to their lightweight, high specific strength, recyclability, and superior thermal properties. However, their non-homogeneity and anisotropy present challenging machining characteristics, often leading to damage that deteriorates component performance. It is imperative to conduct numerical simulation and experimental studies on CFRTP to systematically analyze the relationship between cutting mechanisms and the surface integrity of CFRTP. This study aimed to establish an innovative three-dimensional micro-scale cutting numerical model that integrates the differentiated constitutive behaviors and damage criteria of carbon fibers, matrices, and fiber-matrix interfaces-enabling precise characterization of micro-scale damage evolution during cutting. By combining simulation with experimental verification, it unveils the material removal mechanisms and processing damage causes of CF/PEEK, and further pioneers the quantification of the gradient correlation between fiber orientations (0°, 45°, 90°, and 135°) and fracture modes, cutting forces, and surface integrity, thereby addressing the gap of micro-mechanism and quantitative analysis in CFRTP machining. The micro-scale damage mechanisms revealed by the model directly reflect the intrinsic response of individual fibers in the tow, and the collective effect of these micro-behaviors determines the macro-scale machining performance observed in the experiments. A right-angle cutting experiment was conducted to validate the accuracy of the micro-scale numerical model. The mechanisms of fiber fracture, damage patterns, and chip morphology were systematically compared. The experimental results demonstrate good agreement with the outcomes of the numerical simulations. This study aims to bridge the gap between theoretical understanding and practical application of the cutting mechanisms in CFRTP, providing valuable insights for advancements in manufacturing processes.
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