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植入Z-pin可增强复合材料单搭接头静态连接性能,但是在实际服役过程中,复合材料单搭接头结构除了受到如拉伸、弯曲等静态载荷的作用之外,还会受到冲击及疲劳等动态载荷的作用,而动态载荷下Z-pin增强单搭接头的损伤机理和影响规律研究较少。本文在已有静态性能研究基础上,对Z-pin增强复合材料单搭接头动态力学性能进行系统深入的研究。通过桥率试验与凸台剪切试验研究不同加载速度下Z-pin的拔脱与剪切性能,利用有限元模拟分析Z-pin增强单搭接头各层冲击损伤分层情况,分别采用低速冲击和拉-拉疲劳试验研究Z-pin参数对Z-pin增强单搭接头抗冲击性能及拉-拉疲劳性能的影响规律。(1)采用桥率试验及凸台剪切试验研究加载速率对Z-pin最大桥联力和剪切力的影响。研究表明,Z-pin与层合板的界面剪切速率会影响Z-pin拔脱强度,当加载速率增加时,最大拔脱力也随之呈线性增加;Z-pin的抗剪切力随加载速率的增加先迅速降低,当加载速率达到100mm/min后,下降的趋势开始变缓。(2)根据Hashin和B-K能量失效准则,采用有限元模型分析搭接头各层的损伤情况。研究表明,在冲击载荷作用下,裂纹易在应力集中的地方萌生并扩展,靠近冲击面一侧距离搭接面第1~10层铺层的单元变形与失效相对严重,而冲击面背侧距离搭接面第1~10层铺层几乎无损伤;对于粘结层单元,靠近冲击面一侧距离搭接面第1~9层及搭接面失效面积较大,其中搭接面失效面积最大,有效反映了接头的冲击分层损伤面积。计算结果显示,接头冲击分层损伤面积随着Z-pin体积含量的增加而减小,随Z-pin直径的减小而降低。(3)采用冲击试验结合超声C扫描评价接头实际分层损伤,与有限元模拟结果相比较,并通过试验研究冲击后Z-pin剩余拔脱强度与剪切强度。研究表明,超声C扫的结果与有限元模拟结果基本吻合;层间损伤面积随Z-pin体积含量的增加和直径的减小而降低,其中Z-pin体积含量为3.0%时比0.5%时损伤面积减少了46.9%,直径0.3mm比0.7mm层间损伤面积小32.7%。Z-pin增强显著提高了搭接头的冲击后剩余强度,当冲击能量最大(4.230J/(kg?m-3))时,增强接头Z-pin的拔脱强度保持率为58.0%,剪切强度的保持率达86.6%,且剩余剪切强度随Z-pin体积含量的增加先上升后下降,随Z-pin直径的增加而降低。(4)采用拉-拉周期加载试验研究Z-pin增强单搭接头拉-拉疲劳性能。研究表明,接头的疲劳寿命随疲劳载荷应力水平的提高而降低,随Z-pin体积含量的增加先上升后下降,随Z-pin直径的增加而增加;疲劳剩余剪切强度随Z-pin体积含量的增加先上升后下降,随Z-pin直径的增加而增加,当Z-pin直径为0.7mm时,接头剪切强度保持率最高达88.1%;Z-pin有效阻止了疲劳裂纹扩展,裂纹扩展率随Z-pin体积含量和直径的增加而降低。疲劳失效形貌分析表明,接头中Z-pin主要是剪断破坏与极少量的劈裂。当Z-pin体积分数越高,Z-pin直径越大时,Z-pin更容易发生劈裂,断面更为粗糙。