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复合材料以其突出的性能和减重优势在航空航天等领域得到了广泛的应用,各种形式的肋、梁、框等加筋元件增强薄壁结构是提高复合材料结构效率的重要形式,大面积应用于机翼、机身等承力构件。加筋元件与蒙皮通过胶接或共固化粘接,一方面粘接强度对工艺质量依赖性大;另一方面粘接面对服役环境及外部冲击很敏感、缺陷和损伤易在疲劳加载过程中发展成不稳定分层扩展。由于缺乏有效的裂纹止裂措施,只能采用过于保守的设计方案,以降低结构服役过程中出现分层裂纹的可能性,过大的安全系数降低了性能优化的自由度、缩小了结构减重的空间。本文利用Z-pin技术作为加筋蒙皮粘接增强方案,结合力学试验及数值计算方法,分析了Z-pin层间增强机理,揭示了在准静态、疲劳及冲击载荷作用下,Z-pin对粘接面分层损伤阻抗的改善作用及相关机制,并深入研究了Z-pin点阵分布对其增强效率的影响规律,为Z-pin增强技术在加筋蒙皮结构上的应用及其结构设计提供依据。根据Z-pin的层间增强机理分析,建立single-pin单胞模型,研究了单根Z-pin增强作用的影响因素及其影响规律,并提出了利用纤维加捻制备Z-pin提高其增强作用的策略。Z-pin层间增强主要通过裂纹前端形成的桥联区实现,一方面,Z-pin在开裂面间形成桥联力,阻止开裂面发生相对位移,分析表明,Z-pin最大桥联力的主要影响因素为Z-pin/层合板结合强度;另一方面,Z-pin本身的变形及拔出破坏过程耗散了诸多能量,提高了粘接面的“表观断裂能”。Z-pin拔出耗散能的主要影响因素为Z-pin/层合板界面残余正压力及摩擦系数,其中正压力作用影响更加显著。Z-pin按照一定角度拔出时,对富树脂区的侧向挤压作用有利于增加摩擦力及其耗能。加捻纤维增强Z-pin表面呈现螺旋形沟壑状,Z-pin/层合板结合面积增大,提供了更大的桥联力。试验证明,相比无捻纤维增强Z-pin,纤维捻度为80捻/m时,单根Z-pin最大桥联力提高了19%,且相应Z-pin拉伸强度和模量的下降幅度较小。以蒙皮/加筋简化试样为对象,试验研究了特定加载模式下Z-pin对粘接面静态抗脱粘性能的影响,并对比分析了三种典型Z-pin点阵方式的试验结果,初步获得了Z-pin点阵分布对其增强效果的影响规律。研究表明,准静态拉伸或弯曲作用下,Z-pin增强并不能抑制初始裂纹的萌生,而是通过将粘接面失效模式由瞬时破坏转变为渐进破坏,提高共固化粘接面的极限承载能力。与横向拉伸承载相比,Z-pin对蒙皮弯曲引起的脱粘裂纹抑制效果更加显著。与空白试样相比,植入体积含量0.785%的Z-pin,弯曲失效载荷提高近1倍,结构失效过程总耗散能增加超过10倍;拉伸失效载荷提高55%,结构失效过程总耗散能增加86%。不同Z-pin点阵分布试验结果对比表明,Z-pin较密集分布于缘条边缘时,结构粘接面的抗脱粘性能更佳。为了进一步分析Z-pin点阵分布等参数的影响规律,建立了蒙皮/加筋简化试样有限元模型,利用分区内聚力模型模拟Z-pin增强粘接面的失效行为,并通过与试验结果对比,验证了在不发生层合板面内损伤的前提下,该模型能够有效地预测不同点阵分布Z-pin增强蒙皮/加筋粘接面在弯曲加载条件下的失效过程。进一步分析表明,只有距离缘条边缘低于1mm范围植入Z-pin才能抑制粘接面初始裂纹,但在工艺上较难实现;Z-pin局部的植入密度一定时,点阵分布对其增强效果影响显著,对于蒙皮/加筋粘接面,提高平行于缘条边缘方向上Z-pin的植入密度对于提高Z-pin增强效果更加有效;相比提高Z-pin拔出总耗散能,提高Z-pin与层合板的结合强度更有利于提高其增强蒙皮/加筋粘接面的极限承载。采用蒙皮周期性拉伸和弯曲加载试验,研究了I型和II型断裂主导的交变载荷下Z-pin对粘接面裂纹演化寿命、扩展速率及扩展路径的影响,并结合显微观察方法,阐明了Z-pin对粘接面疲劳裂纹扩展的抑制机制。研究表明,由于疲劳裂纹均在缘条端部的富树脂区内萌生,Z-pin增强对疲劳裂纹形成寿命影响很小。与空白试样相比,Z-pin增强使得蒙皮/加筋粘接面疲劳裂纹扩展寿命延长5~50倍,裂纹扩展速率下降1~3个数量级。相比传统均匀点阵分布,Z-pin集中分布于缘条边缘时,疲劳裂纹扩展模式由持续扩展转变为扩展-停滞交替发生的模式。粘接面裂纹扩展处于停滞阶段时,裂纹在Z-pin/层合板界面间极其缓慢地扩展。通过Z-pin点阵分布的合理设计,裂纹的扩展可完全抑制于有限长度,由此提出了Z-pin增强粘接面的安全裂纹扩展长度,为含损伤结构的安全寿命评估提供了依据。针对航空构件常用的T型和帽型加筋蒙皮典型结构,采用力学试验、超声C扫描以及有限元分析法揭示并预测了Z-pin对加筋边缘低速冲击分层损伤的改善作用。试验研究发现,Z-pin增强提高了加筋蒙皮结构的冲击损伤阻抗,加筋边缘处蒙皮遭受6.36J落锤冲击载荷时,与空白试样相比,T型加筋蒙皮结构的最大冲击接触力提高了28%,总能量吸收减小了39%;帽型加筋蒙皮结构的最大冲击接触力提高了17%,总能量吸收减小了6.4%。分布在加筋边缘的Z-pin将分层损伤抑制在Z-pin增强区域内,与空白试样相比,Z-pin增强T型加筋蒙皮结构最大分层面积减小了58%;帽型加筋蒙皮结构的最大分层面积减小了40%。基于Z-pin层间增强逐层失效的假设,建立了Z-pin增强T型和帽型加筋蒙皮结构渐进损伤有限元模型,预测了结构冲击力学响应及最大分层面积,接触力计算结果与试验值吻合较好,分层面积计算值偏大,偏差小于15%。进一步分析表明,冲击能量在2.5~6.36J范围内,加筋边缘植入局部体积分数为2.18%的Z-pin能使T型加筋蒙皮结构冲击最大分层面积减小50~53%,帽型加筋蒙皮结构最大分层面积减小34~37%。另外,相比提高Z-pin桥联力,提高Z-pin拔出总耗散能更有利于减小其增强加筋蒙皮结构的冲击分层损伤面积。