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。     

Z-pin增强复合材料开孔层合板压缩性能

针对复合材料开孔层合板孔边应力集中而导致承载能力降低现象,采用Z-pin增强技术提高性能。重点了研究开孔层合板的压缩性能,制备了不同Z-pin植入体积分数的开孔层合板试样并进行了压缩试验,在试验基础上,应用有限元分析方法对Z-pin增强开孔层合板进行建模分析,基于渐进损伤分析法和内聚单元法模拟了复合材料基体以及Z-pin的增强效果。试验结果表明:Z-pin的植入可以显著提高开孔层合板的抗压性能,且随着Z-pin植入体积分数的提高,压缩性能不断上升,压缩强度最高可以提高23.06%;只有沿载荷方向,位于开孔两侧的Z-pin可以提高结构的承载能力;在Z-pin桥联力的作用下,降低了损伤的扩展速度,但并没有改变层合板的最终失效模式。模拟结果表明:压缩损伤从孔边向两侧扩展,位于层合板中心的铺层最先出现损伤,其中第6层与第10层的增强单元最先发生破坏。模拟计算结果与试验结果得到了较好的吻合,该有限元模型对于Z-pin增强复合材料开孔层合板的适用性得到了验证。      

Z-pin增强复合材料层合板拉伸性能的试验研究及模拟分析

针对Z-pin增强复合材料层合板的拉伸性能进行了试验研究及模拟分析.拉伸试验研究了3种铺层方式的层合板:[0]6;[90]12;[45/0/-45/90]2S.模拟分析将根据引入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,通过调整单元材料坐标系的1方向来模拟Z-pin周边纤维偏转.通过试验研究和模拟分析得出了Z-pin对3种层合板拉伸强度的影响程度.研究表明Z-pin引入造成的面内纤维含量降低(由树脂富裕区引起)和纤维方向偏转(包括纤维面内偏转和厚度方向卷曲)是层合板拉伸性能降低的主要原因.通过模拟分析进一步得出:对于[0]6铺层层合板,Z-pin插入引起的纤维面内偏转是面内拉伸强度降低的主要因素;对于准各向同性层合板,Z-pin插入产生的树脂富裕区(降低了纤维含量)是面内拉伸强度降低的主要因素.     

层合复合材料Z-pin增强技术研究进展

纤维增强复合材料层合板具有良好的面内力学性能和可设计性,但较低的层间强度和层间断裂韧性影响了其工程应用.应用各种Z向增强技术(包括缝合技术、三维编织、Z-pin增强技术等)提高层合复合材料抗分层性能是航空复合材料结构技术的重要研究内容.     

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。      

湿热环境下K-cor夹层复合材料的力学性能

K-cor夹层结构是应用Z-pin技术增强的一种新型高性能夹层结构,本文研究了Z-pin不同植入密度对K-cor夹层结构试样吸湿特性的影响规律,在此基础上对不同Z-pin植入参数对试样湿热前后三点弯曲性能和压缩性能的影响规律进行了深入研究。研究结果表明：夹层结构中Z-pin的植入能提高试样的尺寸稳定性,且不会对其吸湿率造成明显影响;Z-pin植入密度的增加能明显提高湿热前后试样三点弯曲强度和压缩强度,且具有较高的强度保持率,Z-pin密度为12 mm×12 mm的K-cor夹层结构湿热处理试样的三点弯曲强度比未湿热处理空白试样的要高11.1%,8 mm×8 mm湿热处理K-cor试样的芯部压缩强度比未湿热处理空白夹层结构试样要高17.5%,体现出K-cor夹层结构优异的抗湿热性能;而Z-pin植入角度的减小能明显提高试样湿热处理前后的压缩强度,0°植入K-cor试样湿热处理后的芯部压缩强度与40°植入K-cor试样未湿热处理的基本相同,但植入角度对三点弯曲强度影响较小。     

含分层缺陷复合材料层合板压缩强度试验研究

复合材料层合结构在生产和使用过程中经常会出现分层损伤,为研究分层损伤对复合材料层合结构压缩强度的影响,对含预制分层缺陷的复合材料层合板进行了静强度压缩试验研究,主要研究了沿层合板厚度方向2种不同位置的分层缺陷对复合材料层合板压缩强度的影响.试验结果表明:2类试验件断裂位置均主要集中在预制分层缺陷的边缘,断裂部位呈现不同程度的分层扩展;2类试验件的压缩强度较无初始缺陷的试验件分别降低9.04％和8.60％,说明分层缺陷的位置对复合材料层合板压缩强度的影响程度略有不同,分层缺陷位于层合板厚度方向中间位置时对压缩强度影响较大.     

Z-pin植入参数对X-Cor夹层复合材料力学性能的影响

 X-Cor夹层复合材料是一种新型的Z-pin增强泡沫夹层结构,具有突出的比强度、比刚度。采用热压成型工艺,在不同的Z-pin植入参数下制备了X-Cor夹层复合材料,并对这种结构材料的平压和剪切力学性能进行了研究,考察了植入角度、植入密度、植入方向等参数的影响规律。结果表明,Z-pin植入参数对X-Cor夹层复合材料的平压性能和剪切性能影响显著。X-Cor夹层复合材料平压性能随Z pin植入角度和植入密度的增大而增加,植入角度达到90°时,X-Cor夹层复合材料平压强度及模量最大;剪切性能随Z-pin植入角度的增大而减小,实验范围内,植入角度为45°时,剪切强度和模量最大;同时,X桁架的植入方向对剪切性能也有很大影响,相同Z-pin植入密度下,沿试样长度方向植入的X桁架含量增加时,夹层复合材料的剪切模量增加;X-Cor夹层复合材料的平压性能和剪切性能随Z-pin植入角度的变化规律相反,Z-pin植入角度在60°~70°之间时,X-Cor夹层复合材料平压性能与剪切性能均达到较高值。     

缝纫对复合材料层合板强度和抗冲击性能的影响

主要研究了缝纫对复合材料层合板的强度和抗冲击性能的影响。通过对不同缝纫密度、缝纫方向、缝线材料和缝线直径的试件进行试验研究 ,分析了缝纫参数对层合板的压缩强度、层间剪切强度、断裂韧性 GIC和 GIIC、低速冲击损伤以及冲击后压缩 ( CAI)强度的影响。结果表明 :缝纫使层合板的 GIC和 GIIC有明显提高 ;随缝纫密度的增大 ,层间剪切强度和 CAI强度有显著提高 ,冲击分层损伤面积有一定程度的减小 ;但它们与缝线的直径关系不大。     

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。     

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。     

缝纫层合板压缩性能研究

试验研究了有、无缝纫层合板的压缩强度和破坏机理。通过有限元方法分析了缝纫参数对缝纫层合板压缩性能的影响。研究结果表明,缝纫层合板以折皱断裂为主要压缩破坏模式,分层损伤得到了有效的抑制,缝纫参数对压缩强度有一定的影响,计算模型与试验结果吻合得较好。     

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%。     

Z-pin增强泡沫夹层结构面压缩性能研究

Z-pin增强泡沫夹层结构作为一种新兴的复合材料夹层结构形式,能够克服传统蜂窝夹层结构的诸多缺陷。采用预浸碳纤维增强Rohacell夹芯,进行Z-pin角度为15°和25°,夹芯厚度分别为12.7mm和8mm两种Z-pin增强泡沫夹层结构的面内压缩性能试验,并与相同批次和尺寸的未增强件进行对比,考察其对传统泡沫夹层结构的增强作用。试验发现X状Z-pin增强能够大幅度提高夹层结构的压缩强度与刚度。同时,增强材料表现出与传统泡沫夹层结构不同的压缩变形与破坏模式。证实Z-pin的弹性屈曲控制着结构的压缩强度,夹芯厚度和Z-pin角度影响Z-pin屈曲的计算长度,从而成为材料压缩强度的控制因数。在此基础上,考虑面板对Z-pin的有限转动约束,通过引进约束修正系数改进现有的压缩强度预测模型,预测值与试验结果更加接近。     

复合材料层合板低速冲击损伤研究

复合材料具有比强度高、比刚度高等优良特性,因此被广泛应用于航空航天结构中。但是复合材料结构抗冲击性能差,当结构在制造和使用过程中受到外来冲击后,会造成多种形式的损伤,降低其承载能力。本文采用数值计算和试验相结合的方法,研究铺层顺序对复合材料层合板冲击后剩余压缩强度的影响。计算结果表明,当层合板较薄时,调整铺层顺序对层合板冲击性能的影响很小;随着层合板厚度逐渐增加,调整铺层顺序后,层合板冲击接触力和剩余压缩强度值变化越大;在层合板总厚度和各方向单层比例一定的情况下,将0°层靠近内侧铺设能得到较高的剩余压缩强度值。     

铺层顺序对复合材料层合结构承载的影响

 针对连接区常用的铺层比例[0/±45/90]=(50:40:10),选择3种常见的铺层顺序,综合研究铺层顺序对层合结构承载能力的影响。被研究的层合结构的承载能力包括光滑拉伸和压缩强度、圆孔拉伸和压缩强度、及螺栓连接强度。研究结果表明,各种方向铺层均匀散开铺叠的层合板,在多数情况下性能最优,承载能力最好;将90°层置于外表面的层合板,所试各种试件的承载能力都是最差的。±45°层成对铺贴则压缩强度较差。     

X-cor夹层结构压缩强度模型改进与实验验证

详细阐述了X-cor夹层结构固化工艺过程中残余应力的产生过程,分析结果为碳纤维Z-pin受残余拉应力.考虑工艺过程残余应力的影响,将Z-pin视为弹性基础上梁,提出一种X-cor夹层结构压缩强度改进计算模型,并计算其压缩强度.制作了不同Z-pin密度、直径和角度的X-cor夹层结构实验件用于压缩强度实验.实验值和模型计算值的对比验证了该压缩强度计算模型的正确性.工艺过程中Z-pin所受残余拉应力随Z-pin直径、植入密度增加而增加,随Z-pin植入角度增加而减小.      

T300/BMP316层合板冲击后压缩强度试验研究

对两种不同铺层参数的T300/BMP316复合材料层合板进行了冲击后的剩余压缩强度试验研究。结果表明,虽然随着冲击能量的增加,层合板的剩余压缩强度逐渐降低,但二者之间不满足线性关系;不同铺层参数对层合板击损伤投影图形的长轴方向有一定的影响,但对冲击损伤投影面积大小几乎没有影响;层合板的剩余压缩强度与冲击损伤投影面积的大小没有直接关系。     

T300/BMP316层合板冲击后压缩强度试验

对两种不同铺层参数的T300/BMP316复合材料层合板进行了冲击后的剩余压缩强度试验研究.结果表明,虽然随着冲击能量的增加,层合板的剩余压缩强度逐渐降低,但二者之间不满足线性关系;不同铺层参数对层合板冲击损伤投影图形的长轴方向有一定的影响,但对冲击损伤投影面积大小几乎没有影响;层合板的剩余压缩强度与冲击损伤投影面积的大小没有直接关系.