z-pin增强复合材料层合结构性能研究

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雅宝题库解析：
复合材料层合板具有很好的面内性能，但它的层间韧性较差。较低的层间韧性会造成复合材料层合板在较低的能量冲击下，发生层间分层，这些分层又使层合板在较低的载荷作用下会发生分层失稳，在复合材料结构设计过程中通常采用较厚的层合板，以保证结构在受到低能量冲击后有足够的强度、刚度和疲劳特性，这样就增加了结构重量、提高了材料成本。针对这一题目可以采用的工艺技术方法有三维编织、缝合、tufting和z-pin等。其中，z-pin技术具备一定优势：对面内性能影响较小，可以获得较高的z-pin体积密度，z-pin的选材较广泛，z-pin的工艺较简单，成本低，z-pin增强层合结构可在热压罐中进行固化。z-pin技术适合用于增强复合材料接头的连接强度和提高层合板孔洞周边的强度。    本文针对z-pin增强国产碳纤维复合材料层合板性能进行了试验研究及模拟分析。拉伸试验研究了单向层合板和准各向同性层合板的拉伸性能。模拟分析将根据嵌入z-pin造成的复合材料层合板微观结构变化建立单胞模型来进行，首次提出调整单元材料坐标系的1方向模拟z-pin周边纤维偏转。试验研究和模拟分析得出了z-pin对三种国产碳纤维层合板拉伸性能的影响程度。对于z-pin增强层合板的压缩性能在室温干态和湿热两种环境下进行了压缩试验(首次在湿热环境下研究z-pin增强层合板的压缩性能)，同时建立微观结构单胞模型进行模拟分析。提出通过调整单层板的材料性能模拟湿热环境，材料性能的调整由没有z-pin的单向板试件在室温干态和湿热环境下的试验确定。利用z-pin增强层合结构典型铺层的试验结果确定了z-pin增强典型铺层的拉伸应变许用值和压缩应变许用值。通过室温和75℃两种温度下的九钉桥联力试验来研究z-pin桥联力和温度对z-pin桥联力的影响(首次在热环境下进行z-pin桥联力试验)。建立z-pin单胞三维有限元模型，模拟单钉桥联力拉拔试验得到桥联力-位移曲线，研究层合板铺层方式对桥联力的影响，树脂弹性模量(随着温度的升高而下降)对桥联力的影响，同时，做热机耦合分析，升高和降低温度，研究树脂与z-pin之间的相互作用及其对z-pin桥联力的影响，并分析其原因。提出了基于z-pin桥联力试验的z-pin增强复合材料T型接头拉拔试验的模拟方法。每根z-pin的作用有两部分：增加了分层的张开阻力与剪切阻力。有限元模拟中在相应的结点上加两个方向的非线性弹簧来模拟张开阻力和剪切阻力。通过张开型z-pin桥联力试验和剪切型z-pin桥联力试验得到两条力-位移曲线，再把曲线各自赋予到所有的非线性弹簧上，从而可以模拟z-pin对复合材料T型接头层间性能的增强效果。发展了使用非线性弹簧模拟胶层连接作用的方法，利用非线性弹簧实现了z-pin增强层合结构拉拔过程的模拟。    z-pin增强层合板面内性能的模拟分析研究表明：z-pin周边的纤维偏转是z-pin增强单向纤维层合板拉伸和压缩强度降低的主要因素之一；z-pin周边的树脂富裕区(造成了层合板局部和整体的纤维体积含量下降)是z-pin增强准各向同性层合板拉伸和压缩强度降低的主要因素。模拟分析表明湿热环境下z-pin增强试件压缩强度降低是几种因素叠加：湿热环境使得单层板的材料性能变化；z-pin造成的纤维偏转；z-pin周边树脂富裕区引起的整体和局部纤维体积含量降低等。    在z-pin桥联力的研究中发现层合板铺层方式对z-pin桥联力有影响。z-pin树脂界面的剪切强度越大，z-pin拉拔力越大，把z-pin完全拔出所释放的能量也越大。在温度升高时，树脂与z-pin之间有挤压力，这个挤压力将增大z-pin与树脂之间的摩擦力，是z-pin拉拔力增大的因素。从试验结果可以知道，z-pin拉拔力随着温度的升高而下降，这说明挤压力对z-pin拉拔力的影响较之树脂的弹性模量及剪切强度对z-pin拉拔力的影响要小。同时发现，层合板铺层方式对树脂与z-pin之间的挤压力有影响。