Z-pin增强对复合材料Ⅰ型断裂韧性影响.pdfVIP

Z·pin增强对复合材料I型断裂韧性的影响 杨帆，郑锡涛，焦晓辉，郑晓霞 (西北工业大学航空学院，西安71 0072) 摘要复合材料层压板的主要缺陷是厚度方向刚度和强度弱，在使用中容易引起分 层。分层是航空复合材料结构最严重的破坏形式之一．z．pin增强是提高复合材料层压板层 间性能的有效途径。针对这种新型复合材料结构必须从宏观尺度与细观尺度上深入系统地研 究其力学行为．本文通过对细观力学模型以及VCCT方法(虚拟裂纹闭合法)对Z．pin增强复合 材料I型断裂韧性进行了研究，通过计算应变能释放率对含有z．pin的复合材料层压板I型 断裂韧性与不舍z—pin的复合材料层压板I型断裂韧进行了对比分析。研究表明，z．pin增强 方法能够有效提高复合材料层压板抵抗分层的能力，极大地提高了I型断裂韧性。本文的研 究结果具有重要的理论意义和工程应用价值。 I型断裂VCCT 关键词复合材料Z．pin 中图分类号TB332 度产生严重影响，在分层的界面上由于应力集中或 1 前言 者其他载荷的作用可能会产生裂纹，为了估算存在 裂纹情况下的复合材料的剩余强度和裂纹扩展规 传统复合材料层压板具有良好的面内力学性 律，则必须研究加入z．pin复合材料层压板的断裂 能，但是它在厚度方向上承受冲击损伤的能力较 韧。本文主要研究如图1所示的含有z．pin增强的 弱，受到冲击损伤以后容易分层，而飞机复合材料 复合材料层压板的I型断裂韧性。 结构的使用过程中会不可避免的遇到一些诸如工 P 具掉落、跑道碎石、冰雹、鸟体的撞击从而产生损 伤。另外，层压板复合材料结构的机械加工性能差， 例如螺栓铆钉等连接方式需要钻孔，这会导致层压 板结构内的纤维被破坏，从而降低材料性能。为了 改进层压板的这些弱点，人们采用了许多新的下艺 技术，包括三维编织、纺织等方法米增强复合材料 的厚度方向力学性能，但是这些技术对于T艺、制 P 造的要求较高，而且他们大多通常是先形成千态预 图l 含有z—pin结构复合材料层压板I型断裂示意图 成型体，然后通过浸胶同化直接形成复合材料结 构，但不能对已有的预制件进行厚度方向增强。 2桥联力模型 Z．Pinning(或Z．Fiber)技术是有效地加强层压 板结构厚度方向力学性能的简便方法，它能极火地 为了研究含有z．pin复合材料的力学性能，首 减少复合材料层压板结构在受到冲击后的分层和 先必须明确z．pin对复合材料层压板的增韧机理以 提高结构的断裂韧性【I．2】。最常J}fjj的Z．pin工艺是使 及建立准确的细观力学模型。在I型断裂的情况 用超声波工具在层压板的预制件中插入z．pin(可以下，可以认为含有z．pin的复合材料层压板一旦产 是固化后的纤维束或者金属短棒)，然后固化预制 生分层，在分层面有张开位移的情况下，z．pin和 41：形成复合材料层压板【31。z．pin的半径一般在 周围的基体的摩擦将会产生阻止其张开的桥联力， 0．1mm-0．5mm之间，z．pin的体积含量一般在 D．R．