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Z-pin增强复合材料的力学性能研究

李梦佳  
【摘要】:由于在厚度方向无高性能的纤维,复合材料层合板的层间性能较弱。Z-pin技术通过在层合板厚度方向植入碳针以提高界面性能。本文开展了与Z-pin增强复合材料相关的试验及多尺度有限元分析研究。主要研究内容包括:(1)通过有限元单胞模型研究了Z-pin的植入对复合材料单向板弹性性能的影响。单胞模型中考虑了Z-pin植入引起的“眼形”树脂区及纤维变向,并对单胞施加了周期性边界条件。通过与文献中模型预测结果的对比验证了本文模型的有效性。随后,定量分析了Z-pin参数(Z-pin直径、植入间距及角度)的影响。(2)在预测Z-pin增强单向板弹性性能的单胞模型的基础上,提出了一个新模型以研究Z-pin植入对单向板强度性能的影响。新模型消除了传统模型“眼形”树脂区的尖角并采用改进的三维Hashin准则预测单向板及Z-pin的损伤,采用最大应力准则预测富脂区的损伤。通过对比有限元结果与试验数据发现,新模型预测的强度值与试验结果吻合较好。采用所提出的模型,进一步定量分析了各Z-pin参数的影响。(3)提出了一个基于粘聚区的三维细观有限元模型以研究Z-pin在混合模式下的桥联律。通过在Z-pin及富脂区中相邻单元间植入零厚度粘接元来模拟Z-pin的断裂、纤维束之间的滑移破坏、Z-pin与层合板之间的脱胶破坏以及树脂区的耕驰(snubbing)破坏。本文的模型可完整地表征Z-pin桥联过程中的弹性变形、Z-pin与层合板间界面的脱胶、摩擦拔出及Z-pin的滑移、断裂阶段。有限元预测得到的Z-pin I型、30°及60°混合型、II型桥联律及破坏模式均与试验结果吻合较好。(4)采用试验及有限元方法研究了Z-pin增强T型接头在拉脱、侧弯和剪切载荷下的承载性能。在有限元模型中,Z-pin的桥联作用采用非线性弹簧元模拟。其中模拟Z-pin抑制裂纹张开作用的弹簧元属性来源于Z-pin的I型桥联律试验,模拟Z-pin抑制裂纹剪开作用的弹簧元属性来源于细观桥联律模型。采用粘接接触预测缘条/缘条界面、缘条/填充区界面、填充区/蒙皮界面及缘条/蒙皮界面的损伤,并通过在填充区每两相邻单元间植入零厚度粘接元模拟填充区在拉脱、侧弯载荷下的非定向裂纹。有限元预测得到的载荷-位移曲线及破坏模式均与试验结果吻合较好。此外,本文模型预测得到的破坏模式包含试验观察到的所有损伤类型。(5)在对比两组缘条/蒙皮厚度比不同的T型接头拉脱试验结果的基础上,通过有限元方法定量分析了厚度比对Z-pin增强效果的影响规律。试验及有限元结果均表明Z-pin对T型接头拉脱承载能力的增强效果受缘条/蒙皮厚度比的影响很大。(6)通过试验及有限元方法对比了Z-pin增强及K964缝线增强对T型接头拉脱、剪切承载能力的影响。研究表明缝线对T型接头拉脱承载能力的增强效果高于Z-pin,而Z-pin及缝线均较难提高T型接头的剪切承载性能。


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