Z-pin增强树脂基复合材料单搭接连接性能

为提高复合材料单搭接头的连接性能,制备了不同参数的Z-pin增强单搭接头,通过拉伸试验,研究了Z-pin体积分数、直径以及植入角度对单搭接头连接性能的影响规律,分析了Z-pin对单搭接头性能的增强机理。结果表明Z-pin能明显提高复合材料单搭接头的连接性能：植入角度为90°、Z-pin直径为0.5 mm时,在0%~3.0%体积分数范围内,单搭接头强度随着Z-pin体积分数的增加呈线性增加,含3.0% Z-pin的接头剪切强度为16.76 MPa,比无Z-pin的接头强度提高了33.2%;Z-pin体积分数为1.5%、植入角度为90°时,Z-pin直径变化对单搭接头强度影响不大;含Z-pin体积分数为1.5%、直径为0.5 mm时,随着Z-pin植入角度（背离搭接末端）的增加,单搭接头强度先增加后下降,失效模式从Z-pin拔出失效转变为Z-pin剪断失效;在植入角度为40°时,剪切强度最大（21.04 MPa）,比无Z-pin的接头剪切强度提高了67.1%。Z-pin植入角度（倾向于搭接末端）对单搭接头强度无影响。     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接接头抗冲击性能

为了研究Z-pin增强树脂基复合材料接头的抗冲击性能,制备了Z-pin增强单搭接接头冲击试样。对比不同树脂体系Z-pin/层合板界面裂纹扩展,分别通过Z-pin拔脱试验和接头剪切试验研究Z-pin冲击后拔脱强度和单搭接接头冲击后剪切强度;结合有限元模拟和超声C扫描研究搭接面分层损伤情况。结果表明,相同冲击能量下,环氧Z-pin/环氧层合板界面抗冲击性更强,冲击能量越大,裂纹扩展越显著;Z-pin增强树脂基复合材料显著减小分层损伤面积,提高冲击后剪切强度,体积分数为1.5%、直径为0.5mm的Z-pin增强层合板分层损伤面积仅为40%,冲击后剪切强度的下降率仅为24.89%。随着Z-pin体积分数增加,搭接面损伤面积逐渐减小,冲击后剪切强度先增加后降低;随着Z-pin直径增加,层间损伤面积增加,冲击后剪切强度逐渐降低。Z-pin增强接头分层损伤模型模拟结果与试验结果基本吻合。      

Z-pin增强复合材料帽型单加筋板弯曲性能

针对复合材料帽型加筋壁板结构弯曲承载性能差的缺点,采用Z-pin增强技术提高弯曲承载性能。为研究Z-pin直径、体积分数、增强区长度对复合材料帽型加筋壁板弯曲性能的影响,制备了不同参数的Z-pin增强帽型加筋壁板试样并开展三点弯曲试验,对Z-pin增强机理及试样失效机制进行了分析。结果表明：随着体积分数的增加,由于Z-pin的桥联作用,Z-pin增强帽型加筋壁板弯曲性能提高,同时由于Z-pin植入产生的损伤增加,通过理论分析得到当Z-pin体积分数为2.6%时,弯曲峰值力达到最大值6.1 kN;Z-pin直径对帽型加筋壁板弯曲峰值力影响不显著;当Z-pin增强区长度为总长度的48%时,Z-pin增强帽型加筋壁板弯曲峰值力与全部植入Z-pin时基本相当。     

X-cor夹层结构低速冲击实验和数值模拟研究

X-cor泡沫夹层结构是一种通过Z-pin技术增强泡沫夹芯的新型高性能夹层结构。在低速冲击下,X-cor夹层结构损伤失效机制复杂,通过在不同能量阶段对X-cor夹层结构失效行为进行分析,讨论Z-pin植入体积分数和泡沫芯材密度对失效行为的影响。低速冲击试样规格为Z-pin直径0.5 mm、植入角度为22°,分别改变泡沫类型和Zpin植入体积分数进行实验,结果表明:6 J冲击能量下,冲击能量主要由面板分层承担,相对于未植入Z-pin试样,随着Z-pin植入体积分数的升高,面板分层面积最多减少了45.1%,而泡沫密度对分层面积影响不大;12 J冲击能量下,部分Z-pin发生失效,通过剩余压缩强度比发现,随着Z-pin植入体积分数的增加,剩余压缩强度比先增大后减小,植入体积分数为0.42%时最高,而此时泡沫密度增加,剩余压缩强度比也随之增加;当能量到达18 J时,芯材开始出现剪切裂纹,同时吸收大部分能量,较弱的芯材剩余压缩强度比大,而Z-pin植入体积分数越大,剩余压缩强度比反而越小。采用数值模拟的方法建立低速冲击模型,并将冲击后的结果直接传递应用于剩余压缩强度模型中,得到的结果比实验值偏高25%~29%。     

复合材料帽型筋条脱粘的失效机理分析

复合材料加筋结构承受后屈曲载荷时,蒙皮局部屈曲会导致筋条承受面外弯曲载荷,极易引起蒙皮与筋条的界面脱粘,最终导致结构破坏.通过四点弯曲试验模拟加筋结构受后屈曲载荷时的蒙皮/筋条界面性能,建立渐进损伤模型,分别考虑筋条与蒙皮胶接界面以及复合材料层板的失效,并引入材料刚度退化模型,详细分析蒙皮/筋条界面的脱粘机理和失效过程.分析结果与试验结果一致,表明加载跨距对于结构的失效形式影响较大,90 mm加载时,胶层均首先失效于筋条与蒙皮内角处的胶接界面,且主要受Ⅱ型剪切模式影响;而150 mm加载情况下胶层均首先失效于翼缘自由端与蒙皮交界处.正向加载时胶层失效主要受Ⅰ型和Ⅱ型混合模式影响,反向加载胶层主要受Ⅱ型剪切模式影响.界面脱粘以后,随着载荷增加,筋条腹板与缘条转角外侧出现分层破坏,损伤模型预测结果与超声扫描检测结果一致.     

碳纤维增强环氧Z-pin拔脱性能

 为了研究Z-pin层间增强的影响因素,采用Z-pin-浇注体拔脱实验分析了Z-pin埋入深度、直径和固化度对其拔脱性能的影响。采用Z-pin-浇注体与层合板的对比拔脱实验验证了Z-pin-浇注体拔脱实验表征Z-pin与被增强体的结合状态的可行性。Z-pin-浇注体拔脱实验结果表明,Z-pin的最大拔脱力随着埋入深度的增加而非线性增加;直径对拔脱力的影响主要体现在总接触面积的改变,最大拔脱力与Z-pin直径呈线性关系,其中直径0.7 mm Z-pin的最大拔脱力是直径0.3 mm Z-pin的2.35倍;控制Z-pin固化度,利用其与基体的共固化效应可以大幅地提高界面剪切强度,失效模式从界面脱粘转变成界面脱粘和基体树脂的内聚破坏的混合模式,最大拔脱力最高可以提高17倍。     

缝合复合材料T型接头拉伸载荷下的有限元数值模拟

利用ABAQUS软件对拉伸载荷下的缝合T型接头进行建模与分析,采用基于内聚力模型（CZM）的黏聚接触方法来模拟筋条与蒙皮的脱粘行为,以基于细观力学的非线性弹簧模拟缝线在上下界面的增强作用。在模型基础上对缝线直径进行参数化分析,研究其对T型接头拉伸性能的影响。结果表明：随缝线直径增大,接头极限破坏载荷提高,即拉伸承载能力提高。有限元分析结果与试验值吻合较好。值得注意的是,当缝线直径增大到1 500旦尼尔时,模拟结果与试验数据存在10.4%的误差,这是因为模型未考虑缝合对层合板面内性能的影响,忽略了缝线可能造成的材料损伤。考虑到T型接头在拉伸载荷作用下的破坏模式主要是I型和Ⅱ型破坏,因此宜采用二维有限元模型进行参数化分析,计算效率高并且与试验结果吻合较好。     

Z-pin植入密度对复合材料壁板力学性能影响的研究

针对植入Z-pin后的碳纤维增强平纹机织复合材料的微观结构,建立了含Z-pin的机织复合材料单层板和层合板的单胞模型。预报了Z-pin直径、面内分布密对单层板的面内纵向拉伸力学性能的影响,得出了含有Z-pin的机织复合材料单胞在受面内拉伸时,会在Z-pin附近出现应力集中,单胞首先会在应力集中区域发生失效而导致强度降低。通过三维单胞模型模拟了Z-pin在层合板中拉出脱离过程,得出了不同Z-pin直径、不同分离层厚度下的拉拔力—位移曲线。建立了用非线性弹簧模拟Z-pin的双悬臂梁模型,结合VCCT裂纹扩展技术,模拟了含有Z-pin复合材料层合板的Ⅰ型裂纹扩展,得出了Z-pin直径越大,分布越密,层合板的等效Ⅰ型应变能量释放率GIC越大,且直径越大使GIC随裂纹扩展的波动幅度越大,分布越密使GIC波动的波长越小。     

Z-pin 点阵分布对层合板面内压缩性能的影响简

 Z-pin三维增强技术能显著提高层合板层间性能,但会一定程度上引起层合板面内性能劣化。本文着重研究Z-pin植入点阵分布对层合板的面内性能的影响,设计加工了在层合板中植入一定体积分数不同点阵分布的Z-pin增强层合板试样,并进行了面内压缩性能测试,获得了Z-pin的点阵分布对层合板面内压缩强度的影响规律,并利用有限元软件分析了Z-pin点阵分布对面内压缩强度的影响机制。研究表明,Z-pin的植入降低面内压缩强度的原因是其破坏了层合板中的部分承载纤维,层合板的压缩强度与垂直于加载方向截面上的Z-pin分布数量成反比;在层间增强要求允许条件下,Z-pin应尽量平行于面内载荷的承载方向植入。     

GB／HDPE复合材料的拉伸性能及其影响因素

通过ＧＢ／ＨＤＰＥ的拉伸实验和断口形貌分析， 研究了颗粒体积分数、拉伸速率、界面强度对ＧＢ／ＨＤＰＥ复合材料力学性能的影响。研究表明：当填料表面处理方式适当时，ＧＢ／ＨＤＰＥ的拉伸强度和杨氏模量均随颗粒体积分数的增加、拉伸速率的提高、界面粘结强度的增强而提高。     

Improving Mode II delamination resistance of curved CFRP laminates by a Pre-Hole Z-pinning (PHZ) process

This paper presents an experimental investigation of the Mode II delamination resistance of curved CFRP laminates reinforced with Z-pins. A Pre-Hole Z-pinning (PHZ) process is developed to reduce the in-plane damage of the Z-pinned laminates. The microstructural observation of the Z-pinned laminate specimens indicates that the PHZ process can effectively decrease the defects including the Z-pin offset angle and the area of eyelet zone. The influences of the volume fraction and diameter of Z-pin on the fracture toughness and the delamination crack growth rate of the specimens under End Notch Flexure (ENF) loading are then determined experimentally. The test results show that Z-pin increases the interlayer stiffness of the laminate. The delamination crack growth rate is reduced with the increase of Z-pin diameter and volume fraction, and a reduction up to 40% is achieved compared with the specimens without pins. Furthermore, the Mode II fracture toughness is significantly improved with the increase of Z-pin volume fraction. When Z-pin volume fraction increases by 1%, the achieved fracture toughness is about 200% higher compared to the unpinned laminates.     

Study on Compressive Properties of Z-pinned Laminates in RTD and Hygrothermal Environment

Compressive tests of [0] 12 and [90] 12 unidirectional laminates and [45/0/-45/90] 2S quasi-isotropic laminates are accomplished in both room-temperature and dry (RTD) and hygrothermal environment. And simulation studies on the compressive strength of Z-pinned laminates of [0] 12 and [45/0/-45/90] 2S are conducted by using finite element analysis (FEA). A microstructural unit cell for FEA is created to simulate a representative laminates unit with one pin. Within the unit cell, the first directions of the elements’ material coordinate systems are changed to simulate the fibres’ deflecting around the pin. The hygrothermal effect is simulated by the material properties’ adjustments which are determined by the compressive tests of non-pined laminates. The experimental results indicate that the percentage of reduction in the compressive modulus of Z-pinned laminates caused by Z-pin becomes smaller with the percentage of 0° fibres decreasing in the laminates; the compressive strength of quasi-isotropic laminates reduces and the percentage of the reduction in the compressive strength declines with Z-pin volume content increasing, and the moisture absorption ratio of the Z-pinned specimens is greater than that of the non-pinned specimens, because the cracks around Z-pin increase the moisture absorption. In addition, the simulations show that the deflection of fibres around Z-pin is the main factor for the reduction in the compressive strength of Z-pinned unidirectional laminates, the dilution of fibre volume content caused by resin-rich pocket is the principal factor for the decline in the compressive strength of Z-pinned quasi-istropic laminates, and the compressive strength of Z-pinned specimens in hygrothermal environment reduces as the result of superimposition of some factors, including the changes in material properties caused by hygrothermal environment, the deflection of fibres and the resin-rich pocket caused by Z-pin.     

X-cor夹层复合材料平压性能分析

 X-cor夹层复合材料是一种采用X形Z-pin增强的新型泡沫夹层结构,在航空航天领域有着广阔的应用前景。本文对其平压模量和强度进行了理论预测和实验验证。通过分析其三维单胞力学模型,得到了X-cor夹层复合材料等效平压模量的解析式。采用Winkler弹性地基梁理论解释了泡沫芯材与Z-pin的协同增强效应,并导出了X-cor平压强度的预测公式。以碳纤维/环氧树脂制备的Z-pin分别植入PU,PMI泡沫制得X-cor夹层复合材料,通过力学实验考察了Z-pin参数以及泡沫性能等对X-cor夹层结构平压性能的影响,对理论分析进行了验证。结果证明增大Z-pin的植入角度、体积分数、直径、端部约束或采用高性能泡沫芯材均能提高X-cor平压性能,但增大长度,Z-pin容易失稳,平压强度降低。     

Z-pin点阵分布对层合板面内压缩性能的影响

Z-pin三维增强技术能显著提高层合板层间性能,但会一定程度上引起层合板面内性能劣化。本文着重研究Z-pin植入点阵分布对层合板的面内性能的影响,设计加工了在层合板中植入一定体积分数不同点阵分布的Z-pin增强层合板试样,并进行了面内压缩性能测试,获得了Z-pin的点阵分布对层合板面内压缩强度的影响规律,并利用有限元软件分析了Z-pin点阵分布对面内压缩强度的影响机制。研究表明,Z-pin的植入降低面内压缩强度的原因是其破坏了层合板中的部分承载纤维,层合板的压缩强度与垂直于加载方向截面上的Z-pin分布数量成反比;在层间增强要求允许条件下,Z-pin应尽量平行于面内载荷的承载方向植入。