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.      

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。     

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。     

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。     

碳纤维复合材料压缩性能的研究

本文研究了由三种力学性能不同的基体制备的单向碳纤维复合材料的压缩性能及破坏特征,探讨了基体性能对碳纤维复合材料压缩性能的影响。结果表明,复合材料的纵向压缩强度是基体压缩模量、泊松此和拉伸比例极限应变的函数。当纤维体积含量、基体压缩模量和泊松比变化不大时,其纵向压缩强度随基体拉伸比例极限应变的提高而提高;复合材料的横向压缩强度大于基体的压缩强度;当基体的模量降低和韧性增加时,复合材料的横向压缩破坏的破断角增大,横向压缩强度有所降低。     

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。     

碳纤维/酚醛树脂体系Z-pin加捻拉挤工艺及其性能

为了解决碳纤维/酚醛树脂体系Z-pin拉挤制品中的孔隙缺陷,实现耐烧蚀复合材料三维增强体的制备,在分析孔隙的形成与酚醛树脂的固化过程基础上,利用纤维加捻提高酚醛树脂固化压力进而改善Z-pin中的孔隙缺陷.研究表明:一定范围内,随着纤维捻度的增加,孔隙缺陷的尺寸与数量明显减少,Z-pin中树脂质量分数及可植入深度逐渐降低,而Z-pin抗压性能先提高后降低;碳纤维捻度为80捻/m时,Z-pin制品质量较好,树脂质量分数约为32%,可满足后续超声植入,常温下最大植入深度可达10mm.      

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。     

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。