Z-pin增强复合材料T型接头承载能力的多尺度分析研究

摘要

复合材料在航空航天相关领域中的使用越来越多，它具有很多的优良力学性能，由于传统的机械连接会对复合材料结构造成很大的初始缺陷，使结构承载能力大大降低，因此复合材料结构的发展趋势是整体化成型结构。整体化成型结构一般采用胶接取代机械连接，使复合材料接头性能不受到太大的损失，复合材料T型接头正是胶接接头中的一种广泛应用的接头。与其他胶接接头相似，T型接头的层间性能较弱，可以采用厚度方向的增强技术来提高其承载能力，目前最流行的方法是 Z-pin增强技术，它通过在复合材料结构厚度方向植入Z-pin，使结构的层间韧性明显提升，Z-pin增强技术被越来越广泛地应用到复合材料的制造中。
　　本文对Z-pin增强复合材料T型接头进行了多尺度分析研究。首先建立 Z-pin的细观分析模型，分析了单根 Z-pin的拉拔过程，得到Z-pin的桥联律曲线，然后利用该模型对影响Z-pin性能的因素进行了分析，结果表明固化温度、层合板热膨胀系数、Z-pin的直径等参数对于Z-pin的性能有重要影响。然后进行了Z-pin增强T型接头的拉伸和剪切试验，利用改进的分区内聚力模型对试验进行了有限元模拟，试验件的破坏过程及载荷位移曲线与有限元模拟的结果吻合得较好，验证了有限元模型的准确性。
　　在该模型的基础上，对Z-pin的分布参数进行了分析以获得其对T型接头承载能力的影响。结果表明，在拉伸载荷下，Z-pin的列距及首列Z-pin与中轴面的距离的减小会使T型接头的承载能力提高，在剪切载荷下，Z-pin列距和行距的减小能提高接头的承载能力。结论对Z-pin增强复合材料T型接头的设计具有一定的参考意义。

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第一章 绪论

1.1课题背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要内容

第二章 相关建模技术简介

2.1多尺度分析方法简介

2.2内聚力模型

2.3 Z-pin细观模型建模方法简介

2.4 Z-pin增强T型接头建模方法

2.5本章小结

第三章 Z-pin细观模型的建立及算例分析

3.1建模方法

3.2算例分析

3.3桥联力影响因素分析

3.4本章小结

第四章 T型接头的承载试验及数值模拟

4.1 T型接头拉伸和剪切试验

4.2拉伸及剪切试验的有限元模型

4.3试验与模拟结果的对比分析

4.4本章小结

第五章 Z-pin分布参数对T型接头性能影响分析

5.1分析过程简介

5.2拉伸载荷下Z-pin分布参数分析

5.3剪切模式下Z-pin分布参数分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1主要结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

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