碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)是一种以树脂为基体,碳纤维为增强相,兼具两者优良性能的先进复合材料。CFRP具有轻质高强、抗疲劳特性好、可设计性好等一系列优点,广泛地应用与在航空航天、汽车、风力发电、体育用品等领域。激光切割由于加工效率高、切缝窄、无切削力等,被认为是高效、高质量加工CFRP的一种加工方式,有广阔的发展前景。由于CFRP中碳纤维和树脂在物理性能上存在差异,是典型的各向异性的材料,所以其激光切割过程比较复杂,与各向同性材料相比具有很大不同。以单层CFRP为研究对象,分别建立了丝-束直径比例三维模型、树脂-纤维两相三维模型、典型碳纤维铺设角度及树脂含量的单层CFRP三维模型,对单层CFRP激光同向和多向切割过程进行了数值模拟,为多层多铺设角度CFRP的激光切割提供理论和试验依据。主要内容及结果如下:(1)针对小光斑直径激光光源切割单层CFRP时,碳纤维直径与激光光斑直径的比例关系,建立丝-束直径比例(设为k)分别为1:1、1:2、1:5、1:10的单丝排列三维有限元模型。分析激光同向切割过程中,材料的温度场、横截面温度梯度等,随着k减小,热影响区宽度减小、最高温度升高、温度梯度增大;大光斑直径激光切割CFRP,k<1:10时,可将CFRP作为匀质复合材料处理。考虑树脂与纤维的空间排布关系,对几何模型进一步优化,建立树脂-纤维两相三维模型,分析表面树脂和内部纤维温度场,横截面温度变化曲线,研究材料吸收和传递激光能量过程,揭示表面热影响区的形成机理。(2)进行单层CFRP激光同向切割试验,根据数值模拟中丝-束直径比例,分别对表面碳纤维烧蚀整体宽度和热影响区整体宽度数据进行拟合,拟合曲线趋于稳定。拟合曲线在试验丝-束直径比例下,对应的表面碳纤维烧蚀整体宽度误差3.37%、热影响区整体宽度误差1.92%。(3)分别考虑典型碳纤维铺设角度和树脂含量,建立单层CFRP三维模型,通过数值模拟激光多向切割过程温度场和冷却时温度场,分析碳纤维铺设角度对材料热影响区形状及整体宽度的影响,稳定切割或者无热源作用时,温度沿纤维铺设方向传递;激光烧蚀前沿能量传递受激光切割方向影响。树脂含量50%与30%的温度场宽度降低了17.24%,随树脂含量增加,最高温度逐渐增大,温度场宽度和最高温度的变化是近似线性的。(4)进行激光多向切割单层CFRP试验,数值模拟与试验相比,表面碳纤维烧蚀宽度和热影响区整体宽度平均误差分别为10.66%和13.09%。