Z-pin增强技术是一种在纤维织物或预浸料铺层的厚度方向植入pin针的层间增强技术，它能够有效改善复合材料层间性能弱的缺点。Z-pin复合材料成型工艺简单，可设计性强，是唯一一种能够直接用于预浸料的3D增强技术。但z-pin的植入改变了织物原有的纤维形态，使z-pin复合材料的微细观结构变得十分复杂，为该类材料的精细化单胞建模带来很大困难。本文旨在研究z-pin植入过程对织物铺层的影响，建立工艺参数与结构参数之间的关联关系，实现z-pin增强结构的精细化3D虚拟重构。提出虚拟纤维嵌入技术，建立z-pin复合材料的单胞分析模型，获得任意载荷条件下材料内部纤维和基体的准确应力、应变场。对z-pin复合材料进行有效刚度性能预报，为z-pin工艺设计提供理论支撑。
　　本文对国内外z-pin复合材料的研究现状进行了详细综述和分析，包括z-pin复合材料的发展、细观结构建模方法及实验研究。利用μ-CT技术分析了z-pin结构的几何特征，测试了石英纤维/酚醛树脂基z-pin复合材料的拉伸和剪切性能。按照虚拟纤维、虚拟纱线、虚拟织物的顺序建立了预制体铺层几何模型，对z-pin植入过程进行了数值仿真，实现了z-pin增强结构的3D虚拟重构。通过数值方法研究了z-pin直径、植入位置、和倾斜角度等参数对z-pin纤维结构的影响。
　　本文提出一种虚拟纤维嵌入单元技术，将虚拟纤维增强结构与基体通过“嵌入单元”约束在一起，得到z-pin复合材料微细观分析模型，研究了拉伸、剪切载荷下z-pin部位的力学响应，与传统细观尺度分析模型相比，本文的模型能够分别给出纱线内部纤维和基体应力、应变场，具有更高的精度。基于体积平均法构造纤维增强体素单元，对z-pin复合材料的刚度性能进行了预报，数值计算结果与实验数据吻合良好，能够为实际工艺设计提供理论依据。
　　本文通过虚拟纤维重构得到z-pin增强结构的精细化模型，通过嵌入单元技术将虚拟纤维结构与基体相体素网格结合起来。将z-pin工艺参数、预制体结构参数和复合材料力学性能联系起来，形成完整的z-pin复合材料力学性能分析路线，为z-pin复合材料的工艺设计和工程应用提供了理论指导。