【摘 要】
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复合材料在新一代飞行器的用量是衡量结构先进性的关键指标。复合材料层合板是工程应用中非常典型的构造形式,然而其较弱的层间断裂韧性严重制约了在飞行器主承力结构中的应用。Z-pin增强技术作为可以显著提升复合材料层间力学性能的增韧方法,具有重要的研究意义。以往对Z-pin增强技术的研究大多围绕Z-pin直径及体积分数等影响因素,对Z-pin纤维材料的研究同样具有重要的科学价值。虽然目前对Z-pin增强复
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复合材料在新一代飞行器的用量是衡量结构先进性的关键指标。复合材料层合板是工程应用中非常典型的构造形式,然而其较弱的层间断裂韧性严重制约了在飞行器主承力结构中的应用。Z-pin增强技术作为可以显著提升复合材料层间力学性能的增韧方法,具有重要的研究意义。以往对Z-pin增强技术的研究大多围绕Z-pin直径及体积分数等影响因素,对Z-pin纤维材料的研究同样具有重要的科学价值。虽然目前对Z-pin增强复合材料层合板的分层扩展行为有一定的研究,但是仍然存在许多不足,需要开展进一步的研究以满足工程应用中Z-pin增强层合板的设计要求。本文围绕Z-pin纤维材料对复合材料静力分层扩展行为的影响,对Zpin的增强机制开展了系列工作并取得了如下研究成果:（1）综合考虑Z-pin纤维对静力分层扩展行为的影响,设计了两种不同Z-pin纤维增强的层合板试验件,并设置不含Z-pin的空白层合板作为对照,开展I型和II型静力分层试验:获得了不同试验件在I型和II型分层扩展过程中的R曲线,并在此基础上研究了分层扩展行为的规律;借助对分层界面微观形貌的观察,揭示了Z-pin增强复合材料分层扩展行为的失效机理。（2）针对Z-pin增强层合板分层过程的Z-pin增韧机制,将Z-pin的阻力机制抽象为一种裂纹面间的桥联行为,利用内聚力模型双线性本构关系结合非线性弹簧单元实现考虑Z-pin影响的I、II型静力分层模拟。通过不同模型预测结果和试验结果的对比,验证了所建立数值模型的良好适用性,并进一步开展Z-pin参数对分层扩展行为影响的预测性研究。（3）鉴于层合板分层的Z-pin增韧机制,将单向板的经典纤维桥联模型拓展至Z-pin增强层合板,将Z-pin的阻力机制纳入CZM框架,引入断裂力学中裂纹面桥联的概念,提出一种以Z-pin桥联法则描述的Z-pin桥联模型。基于一种由断裂韧度数据反推桥联法则的方法,确定了Z-pin桥联法则。进一步构建可反映真实分层阻力机理的三线性本构,实现Z-pin增强复合材料I型分层扩展行为的有效模拟,验证所提出的Z-pin桥联模型的适用性。综上,本论文针对Z-pin增强复合材料层合板的分层行为开展了系统的试验研究,并重点围绕分层扩展行为中的Z-pin桥联机制开展了深入的试验研究和数值模拟研究,在一定程度上揭示了Z-pin对复合材料层合板层间断裂韧性的增强机制。本文的工作可为Z-pin增强技术在复合材料上的应用提供理论指导和技术支持。
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