复合材料凭借优异的性能已经被广泛应用在航空航天领域,成为重要的结构材料。由于连接和其他设计需要,复合材料结构经常需要开孔,从而在孔边出现严重的应力集中现象,使损伤积累复杂化,降低了开孔结构的强度。Z-pin三维增强技术作为典型的层间增强技术,可以用于提高层间性能并缓解孔边损伤发生。本文优化Z-pin增强开孔层合板制备工艺,开展开孔层合板的耐损伤性能试验研究,研究不同Z-pin植入参数及开孔大小对抗压性能的影响规律,并应用ABAQUS有限元建模分析Z-pin的增强机理,为Z-pin增强技术在开孔层合板的结构设计以及实际应用提供参考。(1)优化Z-pin增强复合材料开孔层合板结构的成型工艺,研究不同Z-pin植入体积分数对开孔结构抗压性能的影响规律,分析Z-pin对开孔层合板孔边应力集中现象的改善作用,并进一步分析不同开孔直径对Z-pin增强效果的影响。结果表明,固化后采用金刚石钻头进行开孔,有效改善加工过程中孔边分层现象,提高了开孔质量。试验结果表明,Z-pin的植入可以显著提高开孔层合板的压缩承载力,Z-pin体积含量为3%时,其压缩强度最大提高了23.06%。对比不同开孔直径的试验结果表明,当Z-pin体积含量低于1.5%时,10mm开孔直径试样增强效果最显著,当Z-pin体积含量高于2%时,6mm开孔直径试样增强效果最好。(2)应用ABAQUS对Z-pin增强开孔层合板进行有限元建模分析,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。以分区内聚力单元层模拟Z-pin增强区域,单元层的损伤变化近似当作Z-pin的承载变化,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,模拟结果与试验结果吻合良好。(3)通过对开孔层合板开展冲击后压缩试验,研究不同冲击能量作用下Z-pin的增强效果,以此为基础研究不同Z-pin分布形式对压缩强度的影响。试验结果表明,分别对开孔层合板施加6.36J和12.72J冲击能量,局部植入Z-pin使最大冲击接触力分别提高了12.35%和1.50%,冲击过程吸收的总能量减少了10.54%和1.25%,冲击后分层损伤面积分别减少了8.76%和24.83%,结构的剩余承载能力分别提高了17.44%和21.44%。全部植入Z-pin的试样在两种冲击力作用下,最大冲击力比局部Z-pin增强试样分别提高了5.48%和1.13%,总能量吸收减少了19.94%和9.81%,冲击后分层损伤面积减少了25.41%和30.88%,冲击后剩余压缩强度分别提高了18.73%和11.72%。Z-pin对含损伤层合板压缩过程的增强效果更明显,且全部植入Z-pin具有较好的损伤改善效果。