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增强复合材料帽型加筋壁板接头拉伸性能

为了提高复合材料帽型加筋壁板结构中筋条与蒙皮界面处的连接强度,引入Z-pin三维增强技术。制备了Z-pin增强帽型接头试样,并对其进行拉伸试验,研究Z-pin对帽型接头界面增强机理及不同Z-pin体积分数、直径及加载跨距对筋条与蒙皮界面处连接性能的影响规律。结果表明:Z-pin直径为0.5 mm、植入角度为90°时,在体积分数0%~1.0%范围内,Z-pin增强帽型接头拉伸强度随着体积分数的增加而增加,增长趋势随体积分数增加而减缓,含1.0% Z-pin增强帽型接头比未增强接头强度提高了31.2%,在体积分数1.0%~1.5%范围内,Z-pin增强帽型接头拉伸强度呈降低趋势;Z-pin直径对帽型接头拉伸强度影响不显著;随着加载跨距的增加,含0.5%(直径0.5 mm)Z-pin增强帽型接头伴随有失效模式转变,拉伸强度呈现降低趋势。     

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%。     

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.     

碳纤维/双马树脂复合材料整体成型过程分层扩展行为实验研究

针对复合材料构件热压罐成型过程中常见的分层缺陷,考察了整体成型工艺温度对分层扩展、QY8911双马树脂基体韧性及T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性的影响,并通过分层扩展断面形貌深入分析了复合材料整体成型工艺中分层扩展的路径和断面破坏模式,给出了复合材料整体成型工艺和结构设计的优化建议措施。结果表明,随着整体成型最高温度的升高,分层扩展程度增大,QY8911双马树脂基体的拉伸强度和拉伸模量逐渐降低,T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性逐渐增大;对分层扩展断面进行SEM扫描电镜分析发现分层扩展沿着层间开裂,断面内存在基体断裂和基体/纤维界面脱粘两种破坏模式,Ⅰ型层间断裂是复合材料整体成型工艺中分层扩展的典型微观特征。     

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。     

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。     

湿热对单向复合材料层合板Ⅱ型分层特性的影响

利用横向裂纹拉伸试验模型（Transverse Crack Tension-tension Test）,在3种湿热环境（室温、85℃和85℃/95%RH）条件下,对2种单向碳纤维增强树脂基复合材料（T300/QY8911和HTA/6376）层合板的Ⅱ型分层特性进行了试验研究。结果表明湿热环境导致复合材料层间断裂韧性降低,引起Ⅱ型应变能释放率门槛值显着下降,裂纹扩展速率大大提高,温度的影响较湿度更为明显。利用电镜（SEM）对试样分层表面进行了检测,湿度对断面特征无明显的影响。     

复合材料层合板多向层间的Ⅱ型分层断裂韧性研究

 <正> 1.引言 近年来,用断裂力学方法研究复合材料的分层破坏成为复合材料力学的一个热点。自1985年Russell提出用端部开口弯曲(简称为ENF)试样测量单向层间的Ⅱ型分层断裂韧性的方法以来,关于单向层间的Ⅱ型分层断裂问题已经得到较为充分的     

Analysis of composite laminates with intra- and interlaminar damage

Failure process of composite laminate under quasi-static or fatigue loading involves sequential accumulation of intra- and interlaminar damage. Matrix cracking parallel to the fibres in the off-axis plies is the first intralaminar damage mode observed. These cracks are either arrested at the interface or cause interlaminar damage (delamination) due to high interlaminar stresses at the ply interface. This paper summarises recent theoretical modelling developed by the authors on stiffness property degradation and mechanical behaviour of general symmetric laminates with off-axis ply cracks and crack-induced delaminations. Closed-form analytical expressions are derived for Mode I, Mode II and the total strain energy release rates associated with these damage modes. Dependence of strain energy release rates on crack density, delamination area and ply orientation angle in balanced and unbalanced symmetric laminates is examined and discussed. Also, stiffness degradation due to various types of damage is predicted and analysed.     

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。     

Effect of gap and overlap on mode Ⅱ interlaminar fracture toughness of automated fiber placement prepreg laminates

Automated Fiber Placement(AFP) technology facilitates the manufacturing process of composite structures with complex geometry owing to its high efficiency and accuracy.However,the unavoidable imperfections induced by the automated layup method bring challenges to the stability of the final mechanical properties of composites.The influence of AFP-induced gaps and overlaps on the mode Ⅱ interlaminar fracture process of oven-cured laminates is experimentally investigated and explicitly revealed.End...     

分层缺陷对复合材料加筋层压板压缩强度的影响

针对飞机复合材料加筋层压板结构,设计了含有预埋分层缺陷的复合材料加筋层压板的典型试验件以及压缩试验装置,研究了分层缺陷位置和大小对加筋板压缩强度的影响。研究结果表明:分层缺陷会改变加筋板的破坏模式,浅表分层在压缩过程中表现为局部屈曲模态,局部屈曲强度只有其破坏强度的30%~60%,分层直径增加,局部屈曲强度降低。局部屈曲发生后,加筋板尚可进一步承载,直至层板失稳破坏。本文给出的数据和结论对实际飞机结构设计的参数确定和生产过程中的超差问题处理具有重要参考价值。     

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。     

加载速率对层间断裂韧性的影响

虽然加载速率对层间断裂的影响已经被广泛的研究,但是现有的研究结果还未能给出加载速率对层间断裂韧性影响的明确趋势。研究人员发展了许多测量层合板复合材料以及胶接层断裂韧性的实验方法。本文的主要目的是对层间断裂韧性测量的实验方法进行综述,尤其是准静态和动态加载条件下层间起裂韧性的测量。首先介绍了准静态下Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ/Ⅱ复合型层间断裂韧性的测量方法,然后综述动态加载下层间断裂韧性的实验方法。前两部分着重介绍断裂实验中断裂参数(载荷、位移、起裂时间以及裂纹长度)的测量以及断裂韧性的计算。之后又综述了两种光学测量方法在层间断裂实验中的应用。最后将文献中加载速率对层间断裂韧性影响的实验研究结果进行了总结。     

环氧基复合材料的混合模式分层

 采用混合模式弯曲试验研究了Ｔ３００／Ｍ１０和ＨＴＡ／６３７６两种复合材料静态和疲劳加载的分层断裂行为。在不同α／Ｌ比和混合模式比条件下加载,两种材料呈现脆性不稳定或脆性稳定的裂纹扩展。在疲劳加载中,裂纹扩展始终是稳定的。混合模式比对分层韧性、疲劳裂纹扩展速率和疲劳门槛值均有明显影响。     

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。      

复合材料层板脱层开裂的复合型断裂准则

1.问题的提出 层板脱层是复合材料主要破坏模式之一;Wang等人认为基本上是断裂问题。一般均假定复合材料层板脱层开裂是基体控制的,在复合型开裂作用下的能量释放率G为各个单一型开裂作用下的能量释放率G_Ⅰ、G_Ⅱ和G_Ⅲ的代数和 G=G_Ⅰ+G_Ⅱ+G_Ⅲ (1)从下列的研究结果可看出上式有一定的不合理性。