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。     

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.     

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。     

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。      

Effect of hygrothermal aging on moisture diffusion and tensile behavior of CFRP composite laminates

Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) composites are widely used in aircraft structures, because of their superior mechanical and lightweight properties. CFRP composites are often exposed to hygrothermal environments in service. Temperature and moisture can affect the material properties of composites. In order to make clear the moisture diffusion behavior and the properties degradation of composites, the TG800/E207 composite laminates with four stacking sequences [0]₁₆, [90]₁₆, [±45]_4s, and [(+45/0/0/–45)_s]_s are designed and manufactured. Moisture absorption tests are carried out at 80 ℃, 90 %RH. It is shown that the moisture absorption curves of composite laminates present a three-stage. A modified Fickian model was proposed to capture the diffusion behavior of TG800/E207 composite laminates. The relationships among the non-Fickian parameters, the environmental parameters and the stacking sequences of CFRP were correlated and compared. Results showed that the modified Fickian curve is sensitive to the diffusivity of Stage I and Stage II. Compared with unaged specimens, the maximum tensile stress for [0]₁₆, [90]₁₆, [±45]_4s, and [(+45/0/0/–45)_s]_s decreased by 14.94 %, 28.15 %, 11.96 %, and 26.36 %, respectively. The strains at failure for [0]₁₆, [90]₁₆, [±45]_4s, and [(+45/0/0/–45)_s]_s decreased by 55.38 %, 62.65 %, 46.41 %, and 31.71 %, respectively. The elastic modulus for [0]₁₆, [90]₁₆, [±45]_4s, and [(+45/0/0/–45)_s]_s increased by 90.93 %, 94.57 %, 49.22 %, and 8.22 %, respectively. [90]₁₆ sample has the minimum saturated moisture content and the maximum strength degeneration.     

一种交织铺层结构层合板性能

结合复合材料自动纤维铺放(AFP)技术,提出了一种交织铺层结构层合板成型方法,制备了非交织、交织正交层合板、非交织、两向交织和四向交织准各向同性层合板复合材料,并对交织铺层结构复合材料的层间结构和性能进行了分析研究。结果表明:交织正交层合板的拉伸、压缩、弯曲性能较非交织板性能均有所下降,但其层间剪切性能有明显提高,提高幅度约为16%;随着交织铺层组厚度的增加,交织层合板的拉伸性能呈下降趋势;交织层合板的开孔后拉伸、开孔后压缩和冲击后压缩强度保持率均高于非交织板,且冲击后分层损伤面积明显低于非交织板。交织铺层结构层合板相对于普通非交织层合板具有更好的损伤容限能力。     

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。     

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%。     

Effect of Stitching on Plain and Open-hole Strength of CFRP Laminates

 Experimental and analytical investigation is conducted to explore the effects of stitching on plain (without hole) and open-hole compressive and tensile strength of uniweave T300/QY9512 laminates under different environmental conditions (20 篊/dry and wet, 150 篊/dry and wet). Strength performance of stitched composite laminates is also studied using finite element analysis (FEA) model and compared with the experimental results to validate the model. It is found that under similar environmental conditions, the open-hole compressive strength of stitched laminate is decreased and open-hole tensile strength increased as compared to the unstitched laminates. Predicted tensile and compressive strengths are found to be in a good agreement with the test results and the relative error in all cases is less than 15%.     

含孔层合板考虑边界效应的拉伸强度分析

1.引言 早在1974年和1975年Whitney与Nuismer就提出了预测含孔层合板拉伸强度的点应力准则和平均应力准则,他们假定的某一特征长度是与材料性能有关系。1977年Karlak只就准各向同性碳/环氧层合板的两种铺层顺序在特征长度中引进了考虑铺层顺序影响的     

预浸料制备方法影响复合材料湿热稳定性的原因分析

分别用热熔法和溶液法制备 T3 0 0 /540 5预浸料并在相同的工艺条件下制成相应的复合材料层压板。比较 2种复合材料的树脂含量、内部缺陷 (用 C-扫描技术 )、空隙率 (用光学显微镜法 )和纤维 /基体界面粘结(以 [0 2 /90 1 2 /0 2 ]层压板的横向裂纹密度和断口形貌评价 ),发现热熔法复合材料的孔隙率较低和纤维 /基体界面粘结较好是其在水煮条件下稳定性优于溶液法复合材料的主要原因     

复合材料层合板抗冲击损伤的参数表征

研究了铺层方式为［０２／９０２／４５２／－４５２］ｓ的航空用碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ）准各向同性层合板低速冲击引起损伤的表征问题。通过落重冲击试验引入损伤程度Ｄ表示材料低速冲击后材料参数的变化大小，通过准静态球面弯曲试验提出复合材料层合板抗冲击的三种表征参数：层内开裂临界能Ｅ１ｃ、层间开裂（分层）临界能Ｅ２ｃ、分层扩展阻力Ｒ．     

基于CDM的复合材料缺口强度三维数值仿真模型

层合板受载时在缺口尖端出现的沿纤维方向的基体开裂会使缺口钝化,降低缺口带来的应力集中影响。为了更好地模拟这一现象,建立基于CDM的三维有限元模型,提出一种可以实现层合板中每层网格不同排列的建模方法,使网格边缘与每层纤维方向一致;为了实现每层网格不同的排列,在层间建立内聚力接触模拟分层损伤;对纤维增强复合材料层合板[0/902/0]S和[0/90/±45]S进行开孔拉伸的渐进损伤分析。结果表明:该模型可以模拟不同材料体系和铺层参数的层合板在拉伸载荷作用下的渐进损伤过程,预测其破坏强度;通过已知的试验结果对模型进行验证,证明了该方法的正确性且预测精度较高。     

有限宽层合板边界效应影响拉伸强度的修正方法

 本文分析了[0/90]_s,[45/-45]_s,以及π/4层合板的有限宽碳/环氧层合板在不同宽度下的拉伸强度。发现导致层合板过早破坏的原因,除了由于层间应力引起分层破坏外,主要是分层后的叠合铺层强度低于层合板强度;并给出了一般均衡对称的π/4层合板用有限宽试样测试拉伸强度时由于边界效应影响的修正方法。这是一种基于试验结果的经验方法。     

复合材料损伤破坏判据适用性的实验研究

 <正> 一、复合材料损伤力学和损伤应变能释放率（y₂）破坏判据 作者近年来采用复合材料损伤力学研究方法对复合材料层板进行了理论与实验研究,提出了损伤应变能释放率（y₂）破坏判据,简述如下。 基于J.P.Cordebois等人提出的能量等效性假设,并引入有效应力概念,可导出损伤变量和损伤应变能释放率的表达式。在一维加载条件下它们的表达式分别为     

基于刚度降模型的复合材料层合板疲劳寿命估算

基于有限元方法,把层合板的疲劳失效看作是单元刚度退化、应力重新分布和单元损伤不断累积的动态过程,提出了一种复合材料层合板疲劳寿命估算方法。利用MSC．Patran／Nastran建立了层合板有限元模型,进行了[0/90]4S和[-60／0／60]3S两种铺层方式的数值分析,静强度和疲劳寿命预测值与文献中的试验结果吻合较好。     

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。