Z-pin/缝合对复合材料T型接头剪切承载能力的影响

利用三维有限元模型对Z-pin/缝合增强试验件进行有限元分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元来模拟Z-pin/缝合的增强机制,非线性弹簧元的力学性能（桥联律）由细观力学方法获得。通过与试验结果的对比发现,由于未进行界面增强的T型结构的剪切承载能力已较高,Z-pin/缝合增强较难提高T型接头的剪切承载能力。从少数几种可提高T型接头的剪切承载能力的增强方案中可看到,应选择拉伸强度较高而拉伸模量较低的缝线来进行T型接头剪切界面增强设计。     

Z-pin增强陶瓷基复合材料拉伸和层间剪切性能

研究了Z-pin横向增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸和层间剪切性能。炭纤维平纹编织物和炭纤维Z-pin制备的预成型体, 通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料。通过单轴拉伸试验及加-卸载试验研究材料拉伸力学性能参数及破坏规律。采用双切口压缩试验测试材料的层间剪切强度。结果表明, Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线具有非线性特性; Z-pin嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度, 显著提高了陶瓷基复合材料层间剪切强度, 使原来单纯层间基体与织物表面的脱离转变为Z-pin的剪切破坏和层间基体与织物的脱离双重破坏机理。     

Z-pin增强复合材料层合板断裂韧性试验研究

针对Z-pin增强复合材料层合板, 开展了断裂韧性的试验研究。研究选取了3种Z-pin直径(0.28、 0.52、 0.80mm)且每种直径下分别以3种分布形式(5×5、 8×8、 10×10)排布Z---pin的增强方式, 为了确定比较基准, 试验中同时测试了不含Z-pin的复合材料层合板试样。通过Z-pin拔出试验测试了3种直径Z-pin从基体拔出过程中的载荷位移关系。利用双悬臂梁试验和端部开口弯曲试验分别测试了不含Z-pin和含Z-pin试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC、 Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC。试验结果表明:? 与不含Z-pin的结构相比, Z-pin增强试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC增大了83%~1110%, Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC增大了23%~438%; 在相同Z-pin体积含量下, 与增大Z-pin直径相比, 增大Z-pin分布密度能更有效地提高复合材料层合板的断裂韧性。      

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接头弯曲性能

为了研究Z-pin对单搭接头弯曲性能的影响,制备了不同参数Z-pin增强单搭接头试样,研究了Z-pin单搭接头在三点弯曲载荷下连接性能.结果表明:Z-pin(直径0.5mm)体积分数从0％～1.5％时,弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而增加,体积分数在1.5％～3.0％范围内时,试样的弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而下降,Z-pin体积分数为1.5％时达到最大值1303.2N;Z-pin直径为0.3～0.7mm时(体积分数1.5％),峰值载荷随着直径的增加而增加,0.7mm增强接头的弯曲载荷比0.3mm增强接头高出27.9％.Z-pin植入角度对单搭接头弯曲性能影响不大.另外,随着搭接长度的增加,单搭接头的弯曲性能提高.     

Z-pin参数对复合材料T型接头拉脱承载能力的影响

利用二维平面应变模型对Z-pin增强T型接头试样进行失效分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元模拟Z-pin的增强作用,非线性弹簧元的力学性能(桥联律)由细观力学方法获得,数值结果与试验值吻合较好。在已验证有限元方法的基础上,研究了Z-pin直径、密度及植入角度等对T型接头拉脱承载能力的影响。结果表明:Z-pin增强可显著提高T型接头的拉脱承载能力,与未Z-pin增强的T型接头相比,Z-pin增强明显延缓了掉载;T型接头的拉脱承载能力随Z-pin直径和密度的增加而增大,随植入角度的增大而减小;在所研究的角度范围内,当植入角度为60°时,T型接头的拉脱承载能力最好;Z-pin直径和密度对拉脱承载能力的影响远比植入角度的影响显著。     

K-cor增强泡沫夹层结构制备与力学性能

选取NHZP-1型双马树脂拉挤Z-pin, 并结合差示扫描量热法(DSC)测定及工艺参数优化来调控其固化度, 将Z-pin按70°角(Z-pin植入方向与水平方向夹角)植入Rohacell-51WF泡沫、 采用5429/HT7双马单向预浸料作为蒙皮, 成功制备K-cor夹层结构, 并展开了相应的力学性能测试。根据Z-pin在K-cor与X-cor夹层中与蒙皮结合方式差异建立微观拉伸结构简图, 并借助欧拉杆屈曲模型来估算其临界失稳载荷, 定性分析了平面压缩过程中Z-pin的破坏模式与增强机制。结果表明: Z-pin固化度为62.74%时, K-cor夹层结构的平面拉伸强度和模量分别为1.55 MPa与88.56 MPa, 平面压缩强度和模量高达3.61 MPa与128.84 MPa, 均比空白泡沫试样和具有相同Z-pin参数的X-cor夹层结构有所提高。     

Z-pin增强CMC层间Ⅰ+Ⅱ混合型断裂韧性

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,采用CVI工艺在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备了Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料。通过三点弯曲试验测定了Ⅰ+Ⅱ混合型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和Z-pin增强机理。结果表明:随着裂纹扩展长度的增大,Ⅰ+Ⅱ型裂纹扩展阻力不断增大,相同裂纹扩展长度,增加Z-pin植入密度可以提高粘结强度,增大止裂作用。Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料裂纹扩展的耗能途径主要是层间界面剥离、Z-pin弹性剪切和拉伸变形。     

Z-pin增强复合材料Ⅰ型断裂韧性数值分析

采用细观力学方法以及虚拟裂纹闭合法(VCCT)对含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性进行了研究。利用有限元法建立了结构模型,采用实体单元模拟复合材料层压板结构和非线性弹簧元模拟Z-pin。通过计算应变能释放率对含有不同体积分数Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性与不含Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性进行了对比分析。研究表明,含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性在裂纹扩展过程中受到Z-pin桥联作用的影响而显著增强,且其增强效果与Z-pin的体积分数、处在桥联区的Z-pin数目均相关,这表明Z-pin增强方法能够有效提高复合材料层压板的分层扩展阻力。     

Bridging micromechanisms of Z-pin in mixed mode delamination

A numerical model for analyzing the bridging mechanisms of Z-pining in composite laminates is presented. Main failure modes of the Z-pin are: debonding between the Z-pin and matrix, split and rupture of the Z-pin material; these have been taken into account here. The cohesive zone model was utilized to simulate splitting and rupturing within the Z-pin. The interfacial contact between the Z-pin and matrix was assumed to be initially bonded, followed by debonding and frictional sliding. The present model is validated by mode I experiments; the mode II simulation is verified by similar Z-pin shear tests. It is observed that the shear bridging force component increases with the mode II ratio, while the mode I bridging response decreases slightly with the mode II ratio. An enhanced frictional zone is located near the delamination surface. The mode II bridging force in cross-ply laminates is higher than that in UD laminates, while the Z-pin is more likely to rupture in cross-ply laminates when the mode II ratio is relatively high. The presented model can be used to evaluate the Z-pin bridging response. The calculated bridging force is suitable for analyzing the mechanical performance of Z-pinned structures.     

填充物、胶膜和Z-pin对复合材料T型接头强度影响对比

为提高复合材料T型接头结构的拉伸强度,对接头中胶膜属性、圆弧区填充物属性和Z-pin增强三种结构参数对T型接头强度的影响进行了研究。设计了两种不同胶膜属性、两种不同填充材料和有无Z-pin的同尺寸试验件,完成拉伸试验,测得极限位移和极限拉伸强度,并进行了对比分析,同时研究了不同T型接头的损伤演化过程。结果表明：J299胶膜复合材料T型接头的极限位移和极限载荷相比于J116B胶膜分别提高了57.8%和64.7%;ZXC195增强芯复合材料T型接头的极限位移和极限载荷相比于单向带材料分别提高了51.7%和30.3%;Z-pin钉对复合材料T型接头的极限位移和极限载荷分别提高了190.8%和31.9%。三种结构参数均只影响接头的极限载荷和极限位移的大小,接头的整体刚度没有改变。胶膜属性对接头极限载荷的提高影响最大,而Z-pin对接头的极限位移提高影响最大。