復合材料層合板沿厚度方向增強方法研究.pdf

1、復合材料層合板由于其優(yōu)異的面內(nèi)性能而廣泛地使用于航空結構中。然而其層間性能較為薄弱，易在面外載荷下產(chǎn)生分層損傷，導致結構提前破壞，這在一定程度上限制了其應用范圍。沿厚度方向增強體（TTR）是一種能夠有效提高層間性能的技術，其中使用較為廣泛的兩種方法是縫線增強技術和Z-pin增強技術。為了預測TTR的力學行為與破壞模式，并評估相關參數(shù)對其增強效果的影響，研究其模擬方法是很有必要的工作。本文對TTR的模擬分為兩個步驟：首先模擬單根TTR的橋

2、聯(lián)作用；其次將計算得到的橋聯(lián)曲線作為TTR增強層合板模型的輸入?yún)?shù)，分析TTR的增強效果。
　　在模擬單根TTR橋聯(lián)作用的部分，分別使用了解析模型計算縫線的混合模式橋聯(lián)曲線，以及有限元模型計算Z-pin的I、II型橋聯(lián)曲線。其中Z-pin的I型橋聯(lián)模型以靜摩擦—動摩擦系數(shù)模擬了Z-pin在層合板中的脫膠—拔出過程，并與解析解和試驗數(shù)據(jù)進行了對比驗證。使用上述方法進行參數(shù)分析，結果顯示縫線/Z-pin直徑、縫線縫合角度/Z-pin植

3、入角度以及層合板厚度的增加均能在不同程度上提高縫線/Z-pin的橋聯(lián)作用。
　　以計算所得的橋聯(lián)曲線作為輸入?yún)?shù)，分別用連接器（Connector）和離散內(nèi)聚力單元（Cohesive單元）的方法建立有限元模型，分別模擬TTR增強層合板的雙懸臂梁（DCB）試驗、端邊切口彎曲（ENF）試驗以及混合模式彎曲（MMB）試驗。兩種方法的有限元計算結果具有很好的一致性，且均能夠與文獻中的試驗數(shù)據(jù)較好吻合。相比離散 Cohesive單元模型，C

4、onnector模型的計算效率更高，需要的輸入?yún)?shù)更少，且建模更為簡便。故采用Connector模型模擬分析TTR體積分數(shù)與直徑對其增強效果的影響。結果顯示，“細針密布”的構型增強效果較好。
　　最后，將靜摩擦—動摩擦系數(shù)模型用于計算異型截面Z-pin的I型橋聯(lián)曲線，將Connector模型用于計算異型截面Z-pin增強DCB試件的載荷位移曲線，定量分析了Z-pin截面周長對I型增強效果的影響。結果顯示，在Z-pin截面面積相同的