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Z-pin增韧复合材料层压板面内刚度预报①
匡国强2,张晓晶2
(1上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240
2上海交通大学空无科学技术研究院.上海200240)
摘要复合材料层压板具有比刚度大、比强度高等优点,但它的抗冲击韧性差,容易
产生脱层损伤,严重影响其性能的发挥。单面缝合可以对层压板z向进行增韧加强,常应用
在阁室结构上。本文主要针对单面缝合中的z-pin增韧形式进行研究。Z-pin可以增加层间
抗冲击的性能,但同时又会降低面内力学性能,这是矛盾的:然而,通过控制Z-pin钉的直
径和体积分数等缝合参数,可以达到优化设计目的,使两者平衡。
本文针对z—pin复合材料层压板的细观结构进行研究探索。通过时Z-pin缝合层压板结
构切片试件的SEM图像的观察,进行细观模扭.分析Z—Din打入后引起的单胞结构的变化,
通过代表体元击,建立单胞模型,考虑z-pin密度、富树脂区面积、纤维体积含量.波动纤
维面积对层压板面内力学性能的影响。敷值分析结果与试验结果比较一致。
关键词Z—pin面内等效刚度纤维弯曲代表体元法
中围分类号TB332
(1)忽略厚度方向纤维卷曲和纤维断裂的
0前言 影响.只考虑面内纤维的弯曲,纤维没有初始
应变:
先进复合材料具有比强度、比刚度高、可设计
性强等优点;但是,复合材料层压板抵抗分层的能
力差,抗冲击韧性差,这限制了复台材料的应用。
研究人员广泛地研究新技术,进行层压板增韧,达
到防止分层的目的:其中,Z—pin是一种新型工艺,
把极细的金属针或者纤维打入到层压扳中,达至q增
韧的目的。
Z-pin对面内性能的影响是由几种因素共同作
用的结果:①纤维断裂、面内纤维局部弯曲和厚度
方向纤维卷曲造成的%②富树脂区面积影响【2】=
@在被挤压到层压板的过程中。Z-pin针的倾斜角对
酗I面内局部纤维弯曲f”
面内性能有影响口】。
本文中考虑Z-pin密度、富树脂区面积、纤维
体积含量和波动纤维面积的变化,对层压板的面内
径根小,忽略纤维的余弦形式弯曲.采用直线进
力学性能进行预测。
行模拟。
1有限元模型
1 2有限元模型
1.1基本假设 以0。铺层为例,建立如图2所示的代表单元。
基于文献【1】提供的纤维弯曲照片 如图1所 其中,E,町表示单胞模型尺寸t即缝合间距和行
示。做如下假设: 距;0指纤维张开角度:纤维波动区代表受Z-pin
影响的弯曲纤维。
o国家自然科学基金资助项ffll0602035).
·1222·
根据富树脂区面积、层板厚度增量确定纤维体
积分数,再由体积混合率计算Z—pin增韧后层压板
的材料属性。层压板材料主方向根据纤维的实际波
动形态确定。
2等效刚度计算
建立如图3所示的单胞模型,计算面内等效弹
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