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EFFECT OF z-pins’ DIAMETER,SPACING AND OVERLAP LENGTH ON CONNECTING PERFORMANCE OF CMC SINGLE LAP JOINT

Acta Mechanica Solida Sinica 2008年第5期21卷 461-471页

作者： Yongqiang Tao Guiqiong Jiao Bo Wang Yanjun Chang School of Mechanics and Civil Construction Northwest Polytechnical University Xi＇an 710072 China

The effect of through-thickness reinforcement by composite pins （z-pins） on the static tensile strength and failure mechanisms of the joints made from ceramic matrix composite （CMC） is investigated. Overlap length of the single lap joint is 15 mm, 20 mm, 23 mm, 37 mm, and 60 mm, respectively. The experimental results indicate that the final failure modes of the joints can be divided into two groups, （a） the bond-line stops debonding until crack encounters z-pins; and then the adherends break at the location of z-pins, when overlap length is more than 20 mm; （b） the bond-line detaches entirely and z-pins are drawn from adherends, when overlap length is equal to 15 mm. A simple efficient computational approach is presented for analyzing the benefit of through-thickness pins for restricting failure in the single lap joints. Here, the mechanics problem is simplified by representing the effect of the pins by tractions acting on the fracture surfaces of the cracked bond-line. The tractions are prescribed as functions of the crack displacement, which are available in simple forms that summarize the complex deformations to a reasonable accuracy. The resulting model can be used to track the evolution of complete failure mechanisms, for example, bond-line initial delamination and ultimate failure associated with z-pin pullout, ultimate failure of the adherends. The paper simulates connecting performance of the single lap joints with different z-pins＇ diameter, spacing and overlap length; the numerical results agree with the experimental results; the numerical results indicate enlarging diameter and decreasing spacing of z-pins are in favor of improving the connecting performance of the joints. By numerical analysis method, the critical overlap length that lies between two final failure modes is between 18 mm and 19 mm, when z-pins＇ diameter and spacing are 0.4 mm, 5 mm, respectively.

关键词： ceramic matrix composite (CMC) single lap joint z-pins connecting performance,overlap length diameter spacing

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z-pins增强陶瓷基复合材料单搭接接头的裂纹尖端能量释放率

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应用力学学报 2008年第2期25卷 347-350页

作者：陶永强矫桂琼西北工业大学西安710072

对典型z-pins增强陶瓷基复合材料单搭接接头的裂纹尖端能量释放率进行了数值模拟,重点研究z-pins在不同直径和间距下裂纹尖端能量释放率随裂纹扩展的变化规律。研究发现能够形成桥联的z-pins具有一定抑制开裂的能力,形成桥联后,z-pins... 详细信息

对典型z-pins增强陶瓷基复合材料单搭接接头的裂纹尖端能量释放率进行了数值模拟,重点研究z-pins在不同直径和间距下裂纹尖端能量释放率随裂纹扩展的变化规律。研究发现能够形成桥联的z-pins具有一定抑制开裂的能力,形成桥联后,z-pins的直径对于裂纹尖端能量释放率的影响较大,而z-pins的间距对于裂纹尖端能量释放率也有影响,但当间距小到某一限度时,再减小间距裂纹尖端能量释放率基本保持不变。

关键词：陶瓷基复合材料连接 z-pins 能量释放率

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z-pins对层合复合材料非对称分层增韧作用参数分析——Ⅰ型层间韧性

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复合材料学报 2009年第5期26卷 186-192页

作者：孙先念刘书田大连海事大学交通与物流工程学院大连116026 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116023

假设纤维z-pins的桥联力与嵌入厚度成正比,建立适于非对称分层(分层位于层合板厚度方向上的任意位置)的z-pin细观力学模型并构造相应的z-pin单元,结合考虑一阶剪切变形的梁单元,建立了用于分析含浅部分层采用z-pins增韧的双悬臂梁(Doubl... 详细信息

假设纤维z-pins的桥联力与嵌入厚度成正比,建立适于非对称分层(分层位于层合板厚度方向上的任意位置)的z-pin细观力学模型并构造相应的z-pin单元,结合考虑一阶剪切变形的梁单元,建立了用于分析含浅部分层采用z-pins增韧的双悬臂梁(Double cantilever beam,DCB)有限元模型,并在分层裂纹面上引入接触单元以防止分析过程中2个分层子梁在分层前缘处的相互嵌入。通过数值算例分析了z-pins对含非对称分层的DCB试件Ⅰ型层间韧性的增强作用。参数分析表明,当分层位置靠近层合板的表面时,z-pins的增韧作用明显下降,其较薄分层子层的厚度是决定z-pins对Ⅰ型层间韧性增强效果的关键参数。

关键词： z-pins 双悬臂梁 Ⅰ型层间韧性复合材料

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z-pins对2D编织陶瓷基复合材料搭接接头连接性能的影响

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航空材料学报 2008年第6期28卷 96-101页

作者：陶永强矫桂琼王波常岩军西北工业大学力学与土木建筑学院西安710129

对z-p ins增强2-D编织陶瓷基复合材料搭接接头在单向载荷作用下的连接性能进行了试验研究。试验结果表明z-p ins的加入能够改善2-D编织陶瓷基复合材料搭接接头的连接性能,反映在载荷-位移曲线的后半段,载荷变化出现了波动不大的起伏区... 详细信息

对z-p ins增强2-D编织陶瓷基复合材料搭接接头在单向载荷作用下的连接性能进行了试验研究。试验结果表明z-p ins的加入能够改善2-D编织陶瓷基复合材料搭接接头的连接性能,反映在载荷-位移曲线的后半段,载荷变化出现了波动不大的起伏区域。产生此区域的原因为z-p ins从搭接接头拔出的过程中,与复合材料形成桥联,消耗了部分本该作用在开裂尖端的能量。利用有限元的方法模拟了有、无z-p ins,z-p ins在不同直径和间距下搭接接头的失效过程,并与试验结果相比较,吻合较好。

关键词：陶瓷基复合材料搭接接头 z-pins 直径间距

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z-pins参数对复合材料层间韧性的影响

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西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2014年第6期46卷 894-897页

作者：刘韡陈豪文张为民矫桂琼西安建筑科技大学理学院陕西西安710055 西北工业大学力学与土木建筑学院陕西西安710072

z-pins植入平纹编织C/Si C陶瓷基复合材料层压板能提高层间I型断裂韧性.作为一种一体化设计的新型材料,z-pin增强陶瓷基复合材料具有重要的应用前景.研究z-pins增强陶瓷基复合材料的层间断裂韧性对于指导材料的设计与应用具有十分重要... 详细信息

z-pins植入平纹编织C/Si C陶瓷基复合材料层压板能提高层间I型断裂韧性.作为一种一体化设计的新型材料,z-pin增强陶瓷基复合材料具有重要的应用前景.研究z-pins增强陶瓷基复合材料的层间断裂韧性对于指导材料的设计与应用具有十分重要的理论意义和实用价值.基于离散弹簧-悬臂梁模型研究了z-pins直径、z-pins间距、单位厘米宽度上z-pins个数对平纹编织陶瓷基复合材料I层间断裂韧性的影响.结果表明:增加z-pins直径、减小z-pins间距和增加单位厘米宽度上z-pins个数可以提高z-pins增强平纹编织C/Si C陶瓷基复合材料I型层间断裂韧性.

关键词： z-pins 陶瓷基复合材料层间断裂韧性

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z-pins增强C/SiC复合材料层间I型断裂韧性

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固体力学学报 2013年第5期34卷 466-472页

作者：刘韡矫桂琼西安建筑科技大学理学院西安710055 西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,经过多次反复化学气相渗透工艺,在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备z-pins增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料.通过双悬臂梁对称弯曲试验测定了层间Ⅰ型应变能释放率,分析了材... 详细信息

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,经过多次反复化学气相渗透工艺,在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备z-pins增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料.通过双悬臂梁对称弯曲试验测定了层间Ⅰ型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和z-pins增强机理,建立了层间Ⅰ型裂纹扩展预测模型.结果表明:z-pins植入平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料层压板能提高层间I型断裂韧性.z-pins增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料层压板Ⅰ型层间增强机理主要是z-pins桥连和z-pins拔出.层间裂纹扩展预测模型的预测结果与试验结果吻合较好.

关键词：陶瓷基复合材料断裂韧性应变能释放率增强机理 z-pins

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z-pins增强层合梁后屈曲分层扩展数值模拟研究

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固体力学学报 2013年第S1期34卷 270-275页

作者：孙先念王建立刘杨任明法大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院大连116026 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024

分层损伤是层合复合材料结构的一种最主要的损伤形式,层合板内一旦存在分层损伤,这些分层就会在较低的面内压缩应变下发生失稳和扩展,从而引起结构失效,因此必须采取有效的措施来抑制分层的产生和扩展.目前,一种方法是在层合板内沿厚度... 详细信息

分层损伤是层合复合材料结构的一种最主要的损伤形式,层合板内一旦存在分层损伤,这些分层就会在较低的面内压缩应变下发生失稳和扩展,从而引起结构失效,因此必须采取有效的措施来抑制分层的产生和扩展.目前,一种方法是在层合板内沿厚度方向嵌入z-pins,以提高其较弱的层间断裂韧性.论文采用考虑一阶剪切的梁单元,结合z-pins增强体单元,建立了z-pins横向增强的含对称穿透分层的复合材料层合梁有限元模型,利用数值模拟分析了含分层的层合梁在压缩载荷作用下发生对称失稳时,z-pins增强体对分层扩展的抑制作用,为进一步的实验研究做出预测.结果表明,复合材料层合梁在对称失稳的情况下,z-pins增强体能够有效地抑制分层的扩展.

关键词：层合板分层 z-pins 后屈曲扩展

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搭接长度对z-pins增强陶瓷基复合材料接头连接性能的影响

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材料科学与工程学报 2008年第4期26卷 593-598页

作者：陶永强矫桂琼王波常岩军西北工业大学力学与土木建筑学院陕西西安710072

本文对搭接长度分别为15mm,20mm,23mm,37mm,60mm的z-pins增强陶瓷基复合材料接头在单向载荷作用下的连接性能进行了试验研究和数值模拟。试验结果表明接头的最终失效形式有两种:(1)搭接长度大于、等于20mm的接头由搭接板断裂而失效;(2)... 详细信息

本文对搭接长度分别为15mm,20mm,23mm,37mm,60mm的z-pins增强陶瓷基复合材料接头在单向载荷作用下的连接性能进行了试验研究和数值模拟。试验结果表明接头的最终失效形式有两种:(1)搭接长度大于、等于20mm的接头由搭接板断裂而失效;(2)搭接长度等于15mm的接头由搭接面的脱胶而失效。在搭接长度为20mm^60mm之间,接头的最大破坏载荷与搭接长度之间呈线性关系变化。采用有限元的方法对搭接接头的破坏过程进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,进而得到了介于上述两种破坏模式之间的搭接接头的搭接长度。

关键词：陶瓷基复合材料(CMC) 接头 z-pins 搭接长度连接性能

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z-pins增强陶瓷基复合材料层间性能有限元分析

Z-pins增强陶瓷基复合材料层间性能有限元分析

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作者：陈豪文西安建筑科技大学

学位级别：硕士

z-pins增强二维编织陶瓷基复合材料,是在二维编织陶瓷基复合材料厚度方向插入z-pins,达到提高层间断裂韧性、抗分层和抗冲击性能的目的。作为一种一体化设计的新型材料,z-pins增强二维编织陶瓷基复合材料有重要的应用前景。因此,研究z-p... 详细信息

z-pins增强二维编织陶瓷基复合材料,是在二维编织陶瓷基复合材料厚度方向插入z-pins,达到提高层间断裂韧性、抗分层和抗冲击性能的目的。作为一种一体化设计的新型材料,z-pins增强二维编织陶瓷基复合材料有重要的应用前景。因此,研究z-pins增强陶瓷基复合材料的层间力学行为,对于材料设计和材料应用方面具有重要的意义和价值。本文通过结合z-pins增强平纹编织陶瓷基复合材料层间剪切试验,采用有限元分析方法,分别建立了不同切口深度、有无固定夹具以及不同z-pins的个数情形下的有限元模型,对比分析了切口深度、固定夹具、z-pins的植入以及z-pins的个数对层间应力分布的影响。研究表明:切口深度越大,切口附近的层间应力集中现象越明显,层间剪切强度随切口深度增加而减小。固定夹具可以使得试件受剪切面上的应力更均匀。植入一定数量的z-pins减小了切口附近的集中应力区域,可以有效地提高平纹编织CMC的层间剪切强度。通过结合双悬臂梁试件试验,建立DCB试验有限元分析模型,用内聚力模型（CzM）模拟基体开裂,采用实体单元模拟z-pins,分析z-pins与层合板之间,在裂纹扩展过程中,z-pins的脱胶和拔出过程,从而研究z-pins增强陶瓷基复合材料Ⅰ型层间应变能释放率的影响。研究表明:z-pins增强平纹编织碳/碳化硅陶瓷基复合材料,在增加z-pins直径、减小z-pins的间距、增加单位宽度上z-pins的个数的情形下,都可以提高材料的Ⅰ型层间断裂韧性。

关键词：陶瓷基复合材料 z-pins 有限元分析层间剪切断裂韧性

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z-pins增强碳纤维/树脂基复合材料黏结结构强度分析

Z-pins增强碳纤维/树脂基复合材料黏结结构强度分析

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作者：刘青峰西安建筑科技大学

学位级别：硕士

碳纤维/树脂基复合材料层合板具有高比模量、高比强度等优异的特性,其广泛使用于飞机蒙皮、耐压储罐、运动器械等领域。复合材料连接结构,包括复合材料元件之间和复合材料—金属元件之间的连接,在复合材料结构设计中占有重要的地位。大... 详细信息

碳纤维/树脂基复合材料层合板具有高比模量、高比强度等优异的特性,其广泛使用于飞机蒙皮、耐压储罐、运动器械等领域。复合材料连接结构,包括复合材料元件之间和复合材料—金属元件之间的连接,在复合材料结构设计中占有重要的地位。大量事实表明,设计合理的连接设计,不但能够满足使用要求、减轻结构重量,而且可以延长结构的使用寿命。否则,可能首先在连接处产生破坏,甚至造成重大事故。因此,对复合材料黏结结构进行强度分析具有十分重要的工程意义。本文通过拉伸试验和有限元分析两种方法,对碳纤维/树脂基复合材料层合板进行了破坏机理的分析。首先通过拉伸试验,测得层合板在单向拉伸作用下的荷载—位移曲线,并对试件断口形貌进行了分析。然后建立有限元模型,使用Hashin失效准则和刚度退化模型来判断材料是否失效和失效后的材料特性。试验和有限元分析表明,碳纤维/树脂基复合材料层合板的失效模式主要是纤维拉伸失效、基体拉伸失效以及拉伸分层失效。通过拉伸试验研究了z-pins增强碳纤维/树脂基复合材料黏结结构在单向拉伸作用下的剪切强度。试验结果表明:(1)植入z-pins会提升黏结结构的强度;(2)在一定条件下,增加体积分数由于会引入过多的损伤,从而降低黏结结构的强度;(3)搭接长度的增加会显著提升黏结结构的强度。使用有限元分析的方法,建立了三种有限元模型,使用内聚力模型来模拟胶层脱胶的过程,计算了应变能释放率。分析结果表明:植入z-pins和增加搭接区域长度,都会增加z-pins增强碳纤维/树脂基复合材料黏结结构的抑制开裂的能力。

关键词：复合材料黏结结构单面胶接搭接头 z-pins ANSYS

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