[发明专利]一种考虑固化缺陷的Z-pin增韧复合材料强度预测方法

说明书

本发明属于复合材料强度预测技术领域，具体涉及一种考虑固化缺陷的Z‑pin增韧复合材料强度预测方法。本发明提供的建立方法：根据复合材料预浸料铺层顺序和Z‑pin针直径，建立胞体模型；建立所述胞体模型在固化过程中树脂固化反应动力学方程和传热方程；建立胞体模型固化过程中树脂时变粘弹性能表征模型和树脂热膨胀性能表征模型；根据胞体模型固化过程中树脂的化学缩变变形与树脂固化度的关系、粘弹变形与树脂弹性模量的关系和热变形与树脂热膨胀系数的关系，建立所述Z‑pin增韧复合材料固化过程残余应力分布模型。本发明定量模拟了固化过程对于Z‑pin增韧复合材料的影响，准确建立了固化残余应力模型。

技术领域

本发明属于复合材料强度预测技术领域，具体涉及一种考虑固化缺陷的Z-pin增韧复合材料强度预测方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料具有较低的层间断裂韧性，在冲击载荷作用下易发生分层失效。目前，提升复合材料层合板层间性能的方式主要有三维编织、缝合增韧和Z-pin增韧等。相较于前两种办法，Z-pin增韧技术工艺简便，成本也更加低廉，加工效率较高，现已广泛用于各行业。Z-pin增韧技术可有效提高复合材料的层间断裂韧性，Z-pin增韧技术是通过将直径为0.1～1.0mm的高强度高模量pin针预先植入到预浸料铺层中，再在热压罐内完成高温高压固化反应，使得pin针周围产生较强作用力，从而将各层单向板结合起来，最终成型出层间韧性增强的Z-pin增韧复合材料。

Z-pin的植入带来了复合材料层合板局部结构的改变：增加了z向的pin针，同时引起面内纤维的屈曲，在pin针与周围的面内纤维之间形成富树脂区域。Z-pin增韧技术可以提高复合材料的抗冲击性，从而改善复合材料层合板结构的性能，但也存在降低层合板的面内拉伸和压缩性能、层合板的疲劳寿命等问题，并且微结构的改变使得传统复合材料层合板理论已不再适用，单层均匀假设的有限元方法也已经无法预测Z-pin三维增强复合材料层合板的宏观性能。

文献“FE parametric study on the longitudinal tensile strength anddamage mechanism ofZ-pinned laminates”(M Li,P Chen,Polymer composites,2020,Vol41:p585-599.)”公开了一种Z-pin增韧复合材料拉伸强度预测模型，该模型通过构建Z-pin增韧复合材料代表性胞体模型，引入各组分材料的损伤演化判定准则，对模型施加拉伸载荷，从而预测Z-pin增韧复合材料拉伸强度。但是，上述文献中忽略了固化成型过程对于Z-pin增韧复合材料力学性能的影响，没有考虑固化过程产生的残余应力集中缺陷以及树脂-pin针界面开裂缺陷对于Z-pin增韧复合材料拉伸强度的影响。因此，通过现有模型计算得到的Z-pin增韧复合材料拉伸强度不够准确。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种Z-pin增韧复合材料固化过程残余应力分布模型的建立方法、一种Z-pin增韧复合材料固化过程残余应力条件下树脂-Z-pin针界面区损伤分布模型的建立方法以及一种考虑固化缺陷的Z-pin增韧复合材料强度预测方法。本发明通过建立Z-pin增韧复合材料固化过程残余应力分布模型，进而建立固化过程残余应力条件下树脂-Z-pin针界面区损伤分布模型，从而获得考虑固化缺陷的Z-pin增韧复合材料强度预测方法，本发明克服了现有方法计算精度低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种Z-pin增韧复合材料固化过程残余应力分布模型的建立方法，包括以下步骤：

根据复合材料预浸料铺层顺序和Z-pin针直径，建立Z-pin增韧复合材料微观结构的胞体模型；

建立所述胞体模型在固化过程中树脂固化反应动力学方程，得到所述胞体模型固化过程的树脂固化度；

建立所述胞体模型在固化过程中树脂固化反应放热的传热方程，得到所述胞体模型固化过程的树脂固化温度；