Z-pin增强技术通过在织物或预浸料厚度方向上植入纤维短棒或金属短棒（pin针）来改善复合材料的层间性能,该种技术工艺简单、灵活性强,因此zpin增强技术被广泛应用多种复合材料结构的层间增强。为了进一步提高z-pin的层间增韧性能,本文设计并制备了一种螺旋自锁式z-pin,通过增加z-pin与复合材料层合板的界面连接面积提高了z-pin的拔出载荷。此外由于z-pin植入部位的微细观结构十分复杂,给z-pin增强结构建模带来不小的困难,本文通过数值仿真的方法获取了高精度的z-pin增强结构模型。本文首先设计了一种z-pin拉挤模具,利用该模具对半固化的碳纤维束进行螺旋结构加工,制备了四种不同螺旋度的z-pin（包括一组无螺旋结构z-pin）,并分别通过拉伸试验和拔出试验对螺旋自锁式z-pin的轴向抗拉性能及z-pin/层合板界面性能进行评价。实验结果表明,螺旋结构的设计尽管在一定程度上会减弱z-pin轴向抗拉性能,但其同时也会显著提高z-pin在层合板中的拔出力。其次本文对z-pin植入预浸料铺层的3个阶段进行了Micro-CT观测和分析。基于虚拟纤维建模技术,建立虚拟纤维平纹织物铺层。参照z-pin植入工艺,对z-pin植入织物铺层过程进行了数值仿真,获得了“准纤维”尺度上的z-pin增强结构高精度模型,以此分析了z-pin的植入对织物铺层纤维结构的影响。通过将虚拟纤维模型与CT扫描结果对比发现,二者具有很高的相似性。本文最后基于“嵌入单元”技术将虚拟纤维束嵌入至基体模型种以建立复合材料z-pin有限元模型,使用数值模拟方法对四种不同螺旋度z-pin的拉伸断裂过程进行了仿真,通过将模拟输出结果与拉伸试验结果之间的对比验证了仿真建模的精确性。本文主要围绕新型z-pin结构设计和z-pin增强结构高精度建模展开工作。基于虚拟纤维建模技术分别建立了z-pin增强结构模型和z-pin模型,并通过实验和数值方法研究了螺旋自锁式z-pin的力学性能,为z-pin设计与z-pin复合材料力学性能研究提供了理论和实验基础。