Research progress on failure behaviors of composite-metal connection structures
-
摘要:
随着复合材料的大规模应用，复合材料与金属结构的组合使用在工程中变得日益普遍，这对其接头设计提出了新的要求。分析了金属−复合材料混合结构螺栓连接强度和失效分析的研究现状，探讨了接头形式、装配间隙、几何参数、复合材料铺层设计、螺栓预紧力和服役环境等因素对混合连接结构力学性能和失效模式的影响规律，并详细讨论了温度与机械载荷共同作用下的失效机制。此外，还总结了金属−夹芯复合材料连接结构失效行为的相关研究。研究表明，目前发展的实验方法和数值模型可用于辅助复合材料−金属螺栓连接接头的设计，推动复合材料在舰船工程结构中的应用。
Abstract:The widespread application of composite materials in engineering has made their combination with metal structures increasingly common, thereby necessitating new requirements for the joint design of composite and metal hybrid structures. This paper reviews the current status of research on the strength and failure analysis of bolted connections in metal-composite hybrid structures. It examines the effects of various factors—such as joint configuration, assembly gap, geometric parameters, composite layup design, bolt preload, and service environment—on the mechanical properties and failure modes of these hybrid connections. The paper also provides a detailed discussion on the failure mechanisms of metal-composite hybrid structures under the combined influence of thermal and mechanical loads. Additionally, it summarizes relevant research on the failure behavior of metal-sandwich composite connection structures. The findings indicate that existing experimental methods and numerical models can be utilized to assist in the design of composite-metal bolted joints, thereby facilitating the rapid development and application of composite materials in ship structural engineering.
-
0. 引 言
纤维增强树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、高性能连续纤维为增强材料、通过复合工艺制备而成，其刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定，其强度特性与失效行为密切相关，常见的失效模式包括纤维断裂、基体开裂、分层损伤和界面脱粘。近年来，随着复合材料相关研究的不断深入以及低成本制备工艺的逐步完善，复合材料在舰船结构中的应用规模不断扩大，如图1所示。相较于传统船体结构材料，复合材料在减重、抗冲击、抗疲劳等方面表现出色，且具有优良的声学减振和隐身性能，在舰船等装备上展现出较大潜力[1]。
虽然复合材料具备传统金属材料无法比拟的优势，但现阶段船舶与海洋工程装备的主体材料仍以金属为主。复合材料结构多应用于对重量、速度、磁性、雷达波、防腐防污等性能要求较高的中小型船舶；在大型船舶中，其应用主要集中在上层建筑、桅杆、烟囱、机库、船舶附体、舾装件等弱承力或非承力结构。复合材料在船舶与海洋工程领域的大型化应用面临诸多问题，除工艺、成本、防火和规范约束等因素外，连接问题尤为突出。由于复合材料难以完全取代传统的钢制承重结构，目前多采用以钢材为骨架、复合材料为蒙皮的混合结构形式，这必然涉及复合材料与金属的连接问题。
目前，复合材料连接结构按照接头处载荷传递媒介的不同，主要分为螺栓连接、胶接和胶螺混合连接3大类。其中，螺栓连接因性能稳定可靠、装卸方便、载荷传递效率高，成为复合材料工程应用中最普遍的连接方式。如何补齐复合材料连接结构的短板，充分挖掘复合材料−金属混合连接结构的承载潜力，是复合材料连接结构优化设计的关键。
复合材料是一种典型的异相多组分材料，其各向异性和非均质分布特点，使得连接接头的力学响应和失效行为与传统金属接头存在显著差异，且其影响因素更为复杂多样。首先，连接部位的开孔处理破坏了结构的连续性，减小了结构承载净截面积，并切断了结构中起主要承载作用的增强纤维，导致局部应力分布复杂化。其次，复合材料在承载过程中表现出明显的脆性，结构在完全破坏前几乎呈线弹性，无法像金属材料一样通过局部屈服实现载荷重新分配，缓解局部应力集中，结合其各向异性，进一步加剧了应力集中现象。此外，复合材料由多种性能不同的组分构成，基体和增强纤维在微观尺度上的分布并不均匀，模量分布存在差异，导致结构局部的应力和应变分布不均匀，极易在应力集中、变形最大或存在缺陷的局部发生破坏，使连接结构的失效行为变得更加复杂且难以预测。最后，接头尺寸参数、铺层设计、接头配置、受载形式及服役环境等因素，均对复合材料连接结构的承载性能和失效行为产生很大影响。因此，连接结构是复合材料实际应用中的薄弱环节，不合理的连接结构设计可能导致结构提前失效，服役期间出现安全隐患、使用寿命缩短等问题，甚至引发整体结构灾难性破坏，进而影响装备的可靠性与耐久性。
本文拟对国内外复合材料−金属连接结构失效分析相关的研究工作进行综述，分析复合材料−金属连接结构的失效模式，研究接头设计参数对街头连接强度和失效行为的影响规律。同时，总结温度环境载荷下复合材料−金属连接结构设计的关键问题，并介绍近年来金属−夹芯复合材料连接结构的研究进展，以期为复合材料与金属连接结构的设计提供借鉴和参考。
1. 金属−复合材料混合结构连接强度与失效分析
金属−复合材料连接结构通常可分为螺栓连接、胶接连接、胶螺混合连接3大类，如图2所示。由于接头形式和载荷传递媒介的不同，这3类连接结构展现出不同的承载行为和失效模式，其力学机制更是大相径庭。
现有金属−复合材料连接结构失效分析的相关研究工作主要采用有限元数值仿真分析和实验验证相结合的方式开展，探讨数值分析方法在金属−复合材料混合连接失效行为分析中的适用性。
1.1 螺栓连接
复合材料螺栓连接结构的破坏模式主要包括：拉伸破坏、剪切破坏、挤压破坏、撕裂破坏、劈裂破坏和拉脱破坏，如图3所示。其中，撕裂、劈裂破环和拉脱失效较少出现，相关研究文献也相对较少。拉伸破坏是多螺栓连接中的主要破坏模式，属于突发的灾难性破坏模式；剪切失效也是一种突发的灾难性破坏模式，二者均被称为“脆性破坏模式”。与之相比，挤压失效是一种缓慢渐进的破坏模式，被称为“塑性破坏模式”。因此，设计者更倾向于在结构设计中的连接结构最终发生挤压失效或包含挤压破坏模式的失效。
螺栓连接结构通过螺栓与开孔后的被连接件配合工作。作为一种经典连接方式，已有相当多的报道。Lu等[5]采用三维显式有限元方法研究了单剪和双剪复合材料螺栓连接的承载破坏行为。模型中采用了三维实体单元和考虑非线性剪切特性的混合模式破坏准则，用于预测复合材料层合板的各种破坏模式。Zhou等[6]基于内聚力单元模型和Puck失效准则，建立了复合材料双搭接螺栓连接接头的渐进损伤模型，研究了接头几何参数对连接头连接强度、失效模式和损伤演化的影响，数值结果与试验一致性较好，且该模型能够较地模拟裂纹的产生及扩展过程。张浩宇等[7]建立了复合材料−金属连接结构件的数值模型，预测拉伸工况下的承载性能和损伤累积过程，并通过实验验证了模型的准确性，包括极限载荷、应变分布和失效行为。方志晓[8]针对四螺栓单搭接接头，建立了4种紧固件模型用于模拟复杂多钉连接结构的载荷分布和失效行为，结合拉伸试验结果，确定了拉伸工况下最合适的紧固件单元模型，并得到了接头结构件的载荷传递路径和孔周应力分布。Naarayan等[9]和Kumar等[10]研究了金属−复合材料混合连接结构的螺栓载荷分布，为混合连接接头设计及紧固件布设提供了参考。
Wemming等[11]采用DIC数字图像分析技术对复合材料−铝合金螺栓接头进行了准静态加载实验研究，并开展了相应的有限元仿真，分析了CFRP层合板−铝合金连接结构的失效过程。如图4所示，Rouhi等[12]基于三维物理的渐进损伤失效模型，结合ABAQUS/explicit软件和VUMAT子程序，对单向（UD）复合材料−钢板单搭接螺栓连接的剪切和拉伸试验进行了数值模拟。通过在材料界面定义“损伤和内聚”接触面来模拟基体损伤和分层，该模型能够精确模拟试验中的载荷−位移曲线，研究表明，该数值模型可以作为高效准确的工具用于复合材料和金属螺栓连接接头的刚度和强度设计。Cao等[13]针对单搭接和双搭接薄铺层复合材料螺栓接头的失效过程开展了数值仿真研究和实验验证，建立了考虑就地效应的三维物理渐进损伤失效模型，采用基于B-K准则的内聚力单元和Pinho准则分别对层间和层内损伤过程进行模拟，数值结果和实验结果高度高度一致。除了上述试验和数值分析方法，解析法也是一种重要的研究手段，主要包括弹簧法[14-18]、边界元公式[19]、边界配位法[20,21]和半经验法[22]。其中弹簧法作为一种高效、低成本的分析方法，受到众多学者的青睐。如图5所示，弹簧法将连接件各部分简化为理想的弹簧质量系统，通过建立动力学平衡方程求解结构响应和载荷分布 [14]。在求解过程遵循以下两个基本假设：1）质量系统只能沿水平方向自由移动；2）弹簧系统仅考虑水平方向上的刚度。
![]()
弹簧法最初被提出时主要用于初步设计，发展至今已经能够对绝大多数连接问题进行初步校核。McCarthy[15-16]在弹簧法的基础上考虑了螺栓配合间隙的影响，通过修正载荷矢量引入配合间隙的作用，以解决变间隙问题。Taheri-Behrooz[17]开发了一种考虑复合材料非线性行为的弹簧质量解析模型，该模型结合传统弹簧质量模型和复合材料的非线性Tsai-Hahn公式，预测了螺栓接头处的载荷分布。结果表明，在恒定力作用下，考虑材料非线性的三螺栓接头和五螺栓接头的位移分别比未考虑非线性的接头增加了3.66%和3.97%。此外，材料非线性对多接头的载荷分布有显著影响，且该影响随非线性程度的增加而增大。
1.2 胶接连接
胶接连接是一种经典的连接方式，通过胶粘剂的固化反应，在组件表面形成物理或化学的强相互作用，从而实现两个组件之间的有效连接[23]。与传统的铆接、螺栓连接不同，胶接无需对组件进行开孔处理，从而保持了组件的连续性，避免了因连接而造成的结构弱化。除了满足连接需求外，胶接还可以填补缝隙并提供防腐保护，且基本不会增加结构的附加质量。胶粘连接适用于广泛的材料，几乎任何一对异质结构材料（如金属、聚合物或陶瓷），均可通过此方法连接。然而，由于胶粘连接是一个不可逆的过程，拆除接头的成本可能较高，可能导致接头中组件发生大面积的损伤甚至完全破坏[24]。
在实际应用中，胶接接头通常需要承受来自面内和面外方向的载荷。面外载荷包括面外拉伸应力、面外压缩应力和剥离应力；面内载荷则包括劈裂应力和剪应力[25]。胶层的抗压和抗剪性能较好，但其他性能，尤其是抗剥离性能较差。对于复合材料连接件而言，其面外方向的性能是较为薄弱的环节。因此，在进行胶接接头设计时，应确保胶层主要承受压缩或剪切载荷，尽量避免其他形式的载荷[26]。
如图6所示，复合材料胶接接头的失效模式主要包括被胶件破坏、界面破坏（也称为粘附破坏）和胶层破坏[27]（也称为内聚破坏）。被胶接件破坏和胶层剪切通常被认为是可接受的，因为此时胶层的承载性能得到了充分发挥，满足了连接要求。而界面破坏和胶层剥离通常是不可接受的，在实际应用中应尽量避免。
Kim等[28]提出了一种基于试验验证的复合材料单搭接胶接接头的失效预测模型，并利用该模型研究了不同粘接强度下接头的失效行为。结果表明，当接头处同时出现胶层破坏和复合材料分层时，连接强度最大。Anis等[29]和Manuel等[30]系统总结了接头参数对胶接强度的影响规律。主要结论如下：
1） 韧性胶层的接头强度远高于传统刚性胶层，加载过程中不会出现破坏，最终失效模式为复合材料组件分层。
2） 胶层厚度和搭接长度显著影响粘接强度。增加搭接长度可提高CFRP-钢界面的粘接能力，但增加胶层厚度反而会降低接头强度。模量对强度的影响不大，但对失效模式的影响显著，高模量接头在中部出现断裂，普通模量接头仅出现分层损伤。
3） 升高工作温度，尤其是当温度接近胶层玻璃化转变温度时，会大幅降低接头的承载能力。
由于胶粘接头在胶层界面处具有应力奇异性，极易成为失效的起始点，因此受到广泛关注[27,31]，目前的应对措施是使用如图7所示的表面处理技术对界面进行打磨处理。Oswaldo等[32]和Yang等[33]评估了喷砂处理对CFRP-钢质双搭接接头连接强度和失效行为的影响。结果表明，表面处理会显著提高胶接强度而不会影响其刚度；喷砂处理后的接头强度比打磨处理后的试样提升了1.62倍；另外喷砂处理方向也会显著影响接头强度，随机方向相对于单向打磨方向分别提高了9.91%（平行纤维方向）和9.16%（垂直纤维方向）。Zhang等[34]和Takeda等[35-36]分别使用阳极氧化和火焰处理技术对接头进行预处理后，研究了表面处理对胶接强度的影响。试验结果表明，阳极氧化和火焰处理分别使接头剪切强度分别提高了8倍和4倍。
1.3 胶螺混合连接
胶螺混合连接结合了机械紧固和胶接两种技术，在承载过程中二者互补。螺栓保证了完全失效前的整体能量吸收能力，而胶层则增加了混合接头的承载能力、耐受峰值载荷并提高了抗疲劳性[37]。这种接头兼具胶接和螺栓连接技术的优点，将螺栓连接的安全性与胶接的载荷传递性能结合起来[38]。
Li等[39]对3种不同连接形式的单搭接接头进行了拉伸失效试验。结果表明，胶螺混合接头的拉伸强度高于螺栓连接接头和胶接接头。胶螺混合接头首先出现胶层失效，随后转变为单螺栓接头继续承载直至失效。陈向明等[40]和杨晓等[41]对对胶螺连接有限元模型进行了拉伸模拟，得到了与文献[42]中试验结果一致的胶失效过程，表现为从胶层断裂开始至螺栓失效结束。刘志明等[43]建立了复合材料双搭接胶螺混合连接接头的拉伸承载行为，建立了仿真预测模型，开展仿真分析以及试验验证，发现模型预测值与试验结果吻合较好。Xiang等[44]研究了多螺栓胶螺混合接头在静剪载荷下的失效行为，数值模型采用3D-Hashin和内聚力单元分别模拟GFRP和胶层的破坏和退化过程。研究发现：
1） 胶螺混合接头的承载过程呈现明显的“两段式分布”，第1阶段主要由胶层承担载荷，胶层失效后由螺栓继续承载，此时混合接头的剪切刚度出现大幅提升，约为胶层失效前的2倍。
2） 随着螺栓数量的增加，混合接头的失效模式发生变化。单螺栓和九螺栓接头表现为局部压缩失效，四螺栓接头表现为Y形区域的剪切破坏。
3） 随着GFRP板厚和螺栓边距的增加，混合接头的抗剪性能均有所提高。
贺娜[45]和卢弈先等[46]建立了复合材料−铝合金双钉双搭接胶螺混合连接的有限元预测模型，用于研究温度和机械载荷的耦合作用。结果表明，低温环境下树脂和胶层会出现脆化和硬化，接头强度和刚度略有提高。如图8所示，高温环境下树脂和胶层会出现软化和应力松弛，导致胶层提前失效，承载能力大幅下降，接头逐渐转变为纯螺栓连接。此外，环境温度变化会导致螺栓与金属搭接板热膨胀不一致，加剧单搭接接头的“偏心”效应和孔周应力集中，导致胶螺混合接头承载能力明显下降。
![]()
近年来，金属−复合材料混合结构的连接强度和失效行为研究取得了显著进展，尤其在失效强度和最终失效模式预测方面成果颇丰。为便于理解，对几种金属−复合材料混合结构连接强度与失效分析方法的优劣势及其适用范围进行了梳理，结果如表1所示。
表 1 混合连接结构研究方法对比Table 1. Comparison of research methods on hybrid connection structures混合连接结构研究方法 试验 数值仿真 解析解 优点 结果直观、可靠 低成本、精度高、细节完备 低成本、高效率 缺点 成本高、依赖测试设备和人员经验 建模和优化周期较长、高质量模型计算效率低 误差相对较大、缺乏细节、不适用复杂的几何和接触问题 适用范围 适用于低成本或小批量的连接问题 高成本或复杂结构的细致分析 适用连接问题的初步校核 2. 金属−复合材料混合结构螺栓连接设计参数影响规律研究
近年来，国内外学者对金属−复合材料混合结构螺栓连接的研究展现出浓厚兴趣，主要集中于连接强度、钉载分布和失效分析等方面。影响复材−金属混合连接结构承载能力和失效行为的因素众多，主要包括：连接接头的几何设计参数（宽径比、端径比）、材料设计（铺层设计、基体性能）、紧固力矩（预应力场)、配置方案（单搭接、双搭接、胶螺混合连接等）、配合形式（过盈配合、间隙配合）、螺栓选材和数量、环境条件（湿热、化学介质等）、垫片及其材质、应力分布等[47]。与传统金属连接结构的设计理念不同，复合材料连接结构的失效载荷无法通过纯弹性或纯塑性假设来预测。通常，复合材料连接结构的初始失效发生在局部区域，随后沿厚度方向逐步扩展，直至结构完全破坏（图9）。因此，为保障复合材料连接结构在服役过程中的安全性和稳定性，并充分挖掘其承载潜力，需要对接头处的机械性能、影响因素和失效机理等方面进行更深入的研究。
2.1 几何参数的影响
部分学者[48-51]通过一系列实验研究发现，螺栓孔位置是影响复合材料螺栓连接强度和失效形式的决定性因素，其影响可以归纳为宽径比（W/D）和端径比（e/D）。Wang等[52]和王花娟等[53]研究了接头端距、边距对复合材料接头连接强度和失效模式的影响。实验表明，随着W/D和e/D比值的增大，接头连接强度先增大后趋于平稳；小宽径比接端径比（e/D）头的失效模式为拉伸破坏，小端径比接头的失效模式为剪切破坏。Rosner等[54]总结了接头e/D值和W/D值对螺栓连接接头失效模式的影响规律，发现e/D值对失效模式有显著影响，规律如下：1）当端距较小时（e/D≈1），随着宽度增加，失效模式从净拉伸失效变为劈裂失效；2）当端距较大时（e/D>4），随着板变宽，净拉伸失效转变为挤压破坏；3）当e/D<4时[u1] ，失效模式趋向于由挤压破坏转变为劈裂失效。谢鸣九[47，55]研究了连接接头几何设计参数和铺层设计方案对复合材料层合板单钉连接接头疲劳性能的影响，结果表明在常见尺寸范围内，连接件的端距和宽度对接头疲劳强度及剩余强度的影响较小，而厚度的影响较为明显。Sivaganesh等[56]系统研究了纤维取向、几何参数和端距等因素对拉挤纤维增强聚合物单螺栓连接接头强度和失效模式的影响。
2.2 铺层设计的影响
复合材料结构件通常采用0°，90°，±45°的纤维方向进行铺设。研究表明，铺层顺序及占比对接头的承载性能和失效模式有显著影响。Aktaş等[50，57]通过试验和数值计算相结合的方法，探讨了铺层设计方案对单螺栓接头连接强度的影响。何柏灵等[58]研究了铺层方向和铺层顺序等因素对复材单钉连接结构静强度的影响规律。顾亦磊等[59]经过数值计算后得出：0°和90°方向发铺层对复合材料连接强度的贡献较大。缺乏0°方向铺层的接头倾向于发生净张力失效，而缺少90°方向铺层的接头则趋向于出现劈裂破坏。顾亦磊[60]和Leslie等[61] 的研究均表明，连续铺设单一方向的纤维对提升螺栓连接强度的效果优先，而交替铺设不同方向的铺层能有效提高螺栓连接强度。在实际应用中，推荐的各方向纤维铺层比例如下：0°方向占比需大于25%，90°方向约占10～20%，±45°铺层占比应大于40%。当接头处的±45°铺层满足上述要求时，可优化孔周应力分布，使接头更倾向于发生局部挤压破坏，从而提高复材接头的承载能力和使用寿命[62-63]。
2.3 螺栓紧固力矩的影响
螺栓紧固力矩主要作用于试件的厚度方向，而传统纤维增强复合材料沿厚度方向的承载性能基本由基体决定，在承载性能等方面远不如纤维方向，极易出现损伤和微裂纹。在使用过程中，过大的螺栓紧固力将使孔周附近的基体出现微裂纹，甚至出现材料或结构的压溃，从而导致结构的过早失效。因此，螺栓紧固力大小将会直接关系到复材连接结构的承载能力与使用寿命。沿厚度方向上施加一定大小的紧固力矩能显著增加螺栓连接强度，层合板孔周应力值会随着螺栓紧固力的增加而降低，当施加的紧固力超过一定数值时，紧固件和复合材料板都会产生一定程度上的挤压损伤，反而会使接头的承载能力降低[64-69]。Khashaba等[70]总结了紧固力大小对复合材料接头连接强度的影响规律，结果发现，当紧固力较小时，复材接头的刚度和强度均会随着紧固力的增加而增加。Ireman等[71]在开展紧固力对复合材料接头连接强度和损伤扩展行为的研究中发现，随着紧固力的不断增大，失效强度呈现先增大后减小的态势。其主要原因是：紧固力的施加会增加连接件间的摩檫，分担部分载荷，并且还会引入侧向约束，抑制复材分层，进而提高连接强度；而紧固力超出一定值后，过大的轴向压应力会使孔周附近出现微裂纹甚至局部压溃，从而导致结构过早失效。Lin等[72]为研究螺栓初始装配状态对接头性能的影响建立了高保真螺栓模型（考虑螺纹细节结构），模型分析了紧固力矩和垫圈类型对孔周应力、初始装配损伤分布的影响，数值模型很好的复现了实验现象。
2.4 接头配置方案、装配间隙、环境条件等因素的影响
2.4.1 接头配置方案
按照搭接板和连接件的配置方案划分，复合材料连接接头可分为单搭接和双搭接两类。单搭接接头的力传递路径不连续，加载过程中会出现偏心，导致厚度方向的应力分布不均匀，从而显著降低连接强度。偏心的影响随着复合材料板厚的增加而愈发显著。因此，单搭接接头的连接强度通常明显低于双搭接接头。Ekh等[73]研究了多钉单搭接接头在拉伸工况下的结构响应，发现，载荷路径偏心会导致单搭接接头在搭接处产生弯曲变形，降低接头的承载能力，弯曲曲率与搭接长度和铝板厚度有关。
2.4.2 装配间隙
连接紧固件在工程应用中会根据实际设计需求选用不同间隙容限的装配形式，因此研究配合间隙量对连接结构承载性能的影响具有重大意义的。一些学者[74-75]采用实验和数值等方法研究了间隙量的影响。复合材料接头的连接刚度以及孔与紧固件间的接触面积均会随间隙量的增大而减小，接触面积变小会加剧载荷局部集中，从而促使结构更早发生挤压失效。Chishti等[76]、Egan等[77]、蔡启阳等[78]使用有限元方法研究了螺栓配合间隙对复材接头处的载荷分布和破坏模式的影响，发现配合间隙仅对线弹性阶段的钉载分布有显著影响，对连接强度和塑性阶段的钉载分配基本无影响。
2.4.3 环境条件
影响金属−复合材料连接结构的因素众多，除了设计参数外，温度、湿度和化学介质等服役环境条件对复合材料连接强度也有显著影响。其中，湿热环境会显著降低复合材料接头的连接强度[79]。潘文革等[80]开展了湿热环境下复合材料螺栓连接接头的强度分析，总结了湿热循环载荷下接头挤压强度和剪切强度的变化规律，结果表明，湿热环境会导致复合材料连接结构的承载性能严重退化，连接强度大幅下降。Shan等[81]建立了考虑湿热影响的复合材料螺栓接头渐进损伤模型，研究了湿热环境和几何参数对接头失效行为的耦合影响，发现干热（湿度不变，仅升高温度）条件下会适当提高接头的失效载荷，而湿热环境下会显著降低接头的失效载荷，且湿热环境的影响与端径比（e/D）相关，随着e/D值的增大，失效载荷先增大后逐渐趋于稳定，如图10所示。
![]()
复合材料连接接头的失效强度和破坏模式主要与铺层设计和几何参数有关。具体关系如下：
1） 连接结构设计应采用均衡对称铺层，以消除因纤维方向和垂直纤维方向的热膨胀系数不同而在加温固化时产生的内应力及由此而产生的翘曲。当0°层占比较多时，容易发生劈裂破坏。
2） 端径比（e/D）过小易发生剪切破坏，宽径比（W/D）过小则易发生拉伸破坏。在设计过程中应选择适当的端距和边距，防止出现上述两种低强度破坏模式。
3） 当板厚度与钉直径之比较大时,可能发生紧固件的弯曲失效和剪断破坏。
另外，适当的螺栓预紧力可以显著增强接头的承载强度；配合间隙过大会减小螺栓与孔周的接触面积，导致局部应力集中，促使失效提前；湿热环境对接头强度的影响很大，会严重降低结构的承载能力，且该影响与e/D具有明显的协同作用。
3. 温度−机械载荷作用下金属−复合材料连接结构力学行为研究
环境温度是影响复合材料机械连接性能的重要因素，一方面，接头处各组件的热学性能存在显著差异，温度变化会导致不同形式的温度响应，特别是复合材料对温度变化较为敏感，其失效行为也可能随之改变；另一方面，温度变化会导致不同材料结构间热变形不一致，这种变形不匹配会在结构内部产生热应力，进而改变钉载分配和结构性能。根据温度作用时间长短或材料是否出现老化，通常可以将温度的影响分为两部分：环境温度（温度作用时间较短，未发生老化）以及温度老化（温度时间作用长，发生老化现象）对连接接头性能的影响。
Soykok等[82-83]以复合材料双钉单搭接连接结构为研究对象，研究了高、低温环境对其承载能力和失效行为的影响，研究表明，环境温度对失效载荷有显著影响。在低温环境下，接头表现出较高的承载能力，随着试验温度的升高，接头的承载能力会降低。Zhang等[84]借助数值分析方法预测了复合材料连接结构在低温（−55℃）、高温（82℃）和室温环境下的损伤演化过程，结果表明极端环境会显著降低连接结构的强度。郭居上[85]结合实验和数值仿真方法研究了复合材料单搭接接头的热应力分布，结果表明随着温度升高，复合材料板和铝合金板的应力水平变化呈现相反趋势：复合材料板的内应力得到释放，应力水平下降；而铝合金板的内应力逐渐积累，导致应力水平上升。结构中较高的应力水平会对钉载分配产生较大影响，加剧载荷分布的不均匀性，载荷会逐步向某个螺栓集中，引起连接结构的提前破坏，大幅降低连接结构的服役寿命。徐鲁兵等[86]考虑了环境温度（室温～310℃范围）和几何参数（宽径比）对接头连接性能的影响，开展了不同温度、宽径比的复合材料连接接头拉伸试验研究，获得了温度和宽径比对接头破坏模式的影响规律，结果如图11所示。
![]()
Xue等[87]开展不同温度（−20，20和60 ℃）作用下的玻璃纤维增强复合材料螺栓连接单轴拉伸实验和数值仿真研究，分析了不同温度下接头的结构响应和失效行为。Hu等[88-89]对热效应下的复合材料单搭接过盈配合接头的承载性能和失效行为开展了试验和数值仿真研究，分析了暴露于热条件下堆叠顺序、过盈配合尺寸和拧紧力矩对复合材料螺栓连接接头的承载强度和刚度的影响规律，如图12所示，图中SDV为损伤判别因子，其中，SDV1对应纤维失效，SDV2和SDV3分别对应面内和面外的基体失效。
![]()
Ulus[90]开展了6种温度下（室温，50，75，100，125和150 ℃）3种复合材料单搭接接头（胶接：Bonded，螺栓连接：Bolted，胶螺混合连接：HBB）拉伸性能试验研究。如图13所示，相较于螺栓连接和胶接，室温下胶螺混合连接接头的强度分别提高了47%和89%。由于高温下聚合物的松弛作用，粘结接头的使用受到限制，胶接接头和胶螺混合连接接头相对于常温下的承载能力均有所下降。相关研究[45-46,90]均表明胶螺混合连接比胶接和螺栓连接具有更好的力学性能。Sasikumar等[91]采用数值方法研究了温度、摩擦系数、螺栓夹紧力、螺栓孔间隙和金属搭接板厚度等因素对铝合金−复合材料单搭接螺栓接头连接性能的影响规律，研究发现温度变化会导致搭接板之间产生滑动，并显著改变螺栓的紧固载荷，即负热跃变和正热跃变分别减少40%和18%。
![]()
在混合连接结构承受机械载荷时，一般是复合材料板发生破坏，而温度会显著影响复合材料−金属连接结构的力学性能，该影响主要可分为两部分。其一，在高低温环境条件下，树脂的物理性质会发生不可逆的变化。即使该结构没有承受过机械负荷，当材料的工作温度在经过高温热曝或者低温冷冻后回到室温，其机械性能也会发生改变；其二，在温度的影响下，复合材料和金属材料都会产生热变形，但二者产生的热变形不协调（膨胀量），进而导致结构内部产生热应力，热应力的存在使得连接结构的失效行为变得更加复杂。
4. 金属−夹芯复合材料连接结构失效行为研究
夹芯复合材料作为复合材料的一种衍生结构，广泛应用于船舶领域。如图14所示，夹芯复合材料通常由两层复合材料面板和中间的轻质芯材构成，多采用真空辅助一体成型工艺制备。常用的芯材包括轻木、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、浮力材料等。与传统复合材料螺栓连接结构相比，夹芯复合材料增加了面−芯界面和过渡区，导致其失效形式更为复杂，主要体现在螺栓连接形式（预埋、通孔）、界面和过渡区设计上，如图15所示。由于成本和应用场景的特殊性，目前相关研究报道相对较少。早期研究主要以数值仿真为主，近年来逐渐向有限元数值仿真分析和实验验证相结合的方式转变，以船舶典型连接件为对象开展失效机理研究，探究影响其承载能力的因素及规律，以充分最大发掘出结构件的承载潜力。
![]()
图 15 夹芯复合材料接头失效形式的影响因素Figure 15. Factors affecting the failure mode of sandwich composite joints陈夏良等[94]最早开展了相关研究，采用有限元软件对复合材料夹芯板（玻璃纤维面板+PVC泡沫）沉头螺栓连接接头的强度和失效行为进行了研究。结果表明，接头处的失效从孔壁向外侧扩展，90°铺层中基体失效占主导，0°铺层以纤维失效和剪切失效为主。孙九霄[95]以船用甲板上的典型夹芯复合材料−钢连接结构为对象，开展了侧弯载荷下的数值仿真与实验研究。研究发现，夹芯连接构件的破坏模式主要表现为过渡区芯材的局部压溃和上、下面板的弯曲失效。
李永康[96]、侯磊等[97]和严仁军教授团队[98-99]系统研究了设计参数对夹芯复合材料接头应力分布和失效行为的影响规律。研究发现，适当提高紧固力、宽径比（W/D）和端径比（e/D），能够提高接头承载能力，同时还会影响试样的最终失效形式，如图16所示。此外，间隙量增加会显著降低接头的承载能力；夹芯板坡度对接头承载能力的影响较小，而随着芯材厚度的增加，孔周应力集中先减缓再加剧；铺层既会影响接头的承载能力，又会改变接头的失效行为。
史云泽[100]在前人研究基础上开展了压缩工况下复合材料夹芯板多钉结构应力分布的数值研究，发现螺栓间距对孔周应力分布有显著影响：靠近约束端螺栓的孔周应力水平（沿长度方向）与排距呈正相关，靠近加载端螺栓的孔周应力水平（沿长度方向）与排距呈负相关；此外，改变螺栓列距时，靠外侧的螺栓孔周应力基本不变，靠中心的螺栓孔周应力会减小。
李涵[101]针对常见的上层建筑与钢质船体连接结构展开研究，着重分析了L型接头、T型接头、π型接头的优缺点和适用范围，并结合数值仿真重点研究了π型接头在拉伸以及弯曲载荷下的载荷分布。研究发现，拉伸加载下的峰值应力出现在加强梁位置，而弯曲载荷的峰值应力出现在两道加强梁中间。冯旭[102]设计了一种船用 H型混杂连接接头，采用数值仿真和实验验证相结合的方式研究了混杂接头失效行为。结果表明，接头的初始失效为面−芯界面脱粘，随后裂纹扩展，层合板内出现分层，下面板过渡区出现基体和部分纤维破坏。Kharghani等[103-106]研究了一种邮轮用金属−夹芯复合材料典型连接接头在弯曲载荷下的应力分布和失效行为，数值结果表明，芯材与面板间的过渡段存在明显应力集中现象，从而导致面−芯界面过早失效，针对该问题，提出了几种过渡区优化方案，如图17所示。
![]()
夹芯复合材料因其特殊的三明治构型，失效形式更为复杂多变。关于金属−夹芯复合材料连接结构的研究，国内外报道相对较少，相关研究主要延续了层合板连接结构的方法和思路，集中在夹芯接头设计参数、铺层设计等因素对接头力学性能的影响规律。目前尚未见关于温度、湿度等外部环境因素对其连接结构影响的相关文献。相较于层合板，夹芯结构具有多样化的芯材（轻木、PVC、PU、浮力材料等）选择以及由此衍生出的多种界面形式，这使得相关研究难度增大，同时外部环境因素的影响也更为复杂多样。目前金属−复合材料夹芯连接结构在环境因素影响、界面失效机理、接头优化设计等方面仍存在许多值得探讨的问题。
5. 结 论
近年来，随着高端船舶与海洋工程装备向着大型化、轻量化、高效率方向发展，复合材料与金属的连接问题已成为保障相关装备服役安全的关键。复合材料作为一种异相多组分材料，具有准脆性、各向异性和非均质分布等特点，使得其连接接头的力学响应和失效行为与传统的金属接头完全不同，且其影响因素较金属材料结构更为复杂多样，是当今研究的热点问题。
国内外研究学者对复合材料机械连接结构进行了大量实验和数值仿真研究，为复合材料在工程结构中的应用提供了可靠的支撑数据和理论指导。本文综述了金属−复合材料连接结构失效行为的相关研究，分析了复合材料−金属连接结构的失效模式，研究了连接接头的几何设计参数、复合材料铺层设计方案、紧固力矩和接头配置形式、装配间隙、服役环境等因素对金属−复合材料混合结构螺栓连接力学性能的影响规律。此外，考虑到温度和湿度环境载荷是复合材料−金属连接结构设计中亟需关注的关键问题，本文总结了环境温度和湿度对复合材料连接结构失效行为的影响机制，讨论了由环境温度引起的热应力对复材−金属混合连接结构力学性能和失效模式的影响规律。最后，总结了夹芯复合材料连接结构的研究进展。
尽管国内外学者已开展了大量复合材料−金属混合连接结构失效行为试验和数值研究，其对应的连接区几何参数、铺层设计等设计参数的影响机理解释也已相对成熟，复合材料−金属连接结构在船舶与海洋工程结构中得到了广泛应用，但仍有一些重要问题与方向在未来需要继续深入研究：
1） 目前的研究集中于简单形式的螺栓连接结构，如单钉连接结构和双钉连接结构，对于多钉连接结构的相关试验和数值仿真研究较少，尤其在钉载分配和失效机制方面；另外，“T”型和“L”型等复杂形式的连接结构需要得到设计者和研究者广泛关注。
2） 目前关于环境因素对复合材料−金属连接结构失效行为和承载能力影响的研究较少，分析的环境影响因素比较单一。亟需研究海洋环境中特有的温度、湿度、盐雾等因素带来的材料老化问题对复合材料连接结构失效机制的影响规律，从而形成可靠的海洋环境下复合材料−金属连接结构设计与分析方法。
3） 目前对复合材料−金属连接结构的失效分析主要体现在静强度分析，而对于连接接头的疲劳强度问题和动载荷下结构强度问题关注较少，亟需发展疲劳载荷和动载荷作用下复合材料−金属连接结构数值计算分析方法。
4） 舰船用复合材料多为大截面夹芯复合材料，大截面夹芯复合材料与金属骨架的连接问题是设计者最关心的问题，其存在复合材料面板、芯材与金属骨架刚度和强度不匹配问题，亟需发展高效率的夹芯复合材料−金属混合连接结构精细化计算方法，减小泡沫芯材过渡区等薄弱环节对夹芯复合材料连接结构设计的不利影响。
5） 复合材料连接结构的增强设计对于保障连接结构安全具有重要研究价值，也是未来需要继续关注的重要方向。
-
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
图 15 夹芯复合材料接头失效形式的影响因素
Figure 15. Factors affecting the failure mode of sandwich composite joints
![]()
表 1 混合连接结构研究方法对比
Table 1 Comparison of research methods on hybrid connection structures
混合连接结构研究方法 试验 数值仿真 解析解 优点 结果直观、可靠 低成本、精度高、细节完备 低成本、高效率 缺点 成本高、依赖测试设备和人员经验 建模和优化周期较长、高质量模型计算效率低 误差相对较大、缺乏细节、不适用复杂的几何和接触问题 适用范围 适用于低成本或小批量的连接问题 高成本或复杂结构的细致分析 适用连接问题的初步校核 
下载: 导出CSV
-
[1] 梅志远. 舰船复合材料结构物应用工程技术特点及内涵分析[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(2): 1–8. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02098 MEI Z Y. Characteristic analysis and prospect of applied engineering technology for composite structures of naval ships[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(2): 1–8 (in Chinese). doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02098
[2] 卢嘉鹏. 复合材料夹芯板螺栓连接特性分析[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2021. doi: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2021.000473. LU J P. Characteristic analysis of bolted joints in composite sandwich plates[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2021. doi: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2021.000473 (in Chinese).
[3] QIN K, YAN R J, CUI M G, et al. Failure mode shift of sandwich composite L-Joint for ship structures under tension load[J]. Ocean Engineering, 2020, 214: 107863. doi: 10.1016/j.oceaneng.2020.107863
[4] BREFFKA G. Extended use of fibre reinforced plastics in submarine design[C]//2002 Conf. Proc. UDT Europe. La Spezia, Italy: [s. n. ], 2002: 501−511. (查阅网上资料, 未找到本条文献, 请确认)
[5] LU F Z, CAI D A, TANG J, et al. Bearing failure of single-/double-shear composite bolted joints: an explicit finite element modeling[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2018, 37(14): 933–944. doi: 10.1177/0731684418772355
[6] ZHOU S, YANG C Z, TIAN K, et al. Progressive failure modelling of double-lap of composite bolted joints based on Puck’s criterion[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2019, 206: 233–249. doi: 10.1016/j.engfracmech.2018.11.038
[7] 张浩宇, 侯波, 何宇廷, 等. 航空复合材料−金属连接结构的拉伸性能及其渐进损伤[J]. 机械工程材料, 2017, 41(8): 87–92. doi: 10.11973/jxgccl201708020 ZHANG H Y, HOU B, HE Y T, et al. Tensile property of aeronautical composite-metal joint structure and its progressive damage[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2017, 41(8): 87–92 (in Chinese). doi: 10.11973/jxgccl201708020
[8] 方志晓. 钛合金与复合材料壁板连接结构群钉载荷分配仿真与试验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2016. FANG Z X. Research on the load distribution of mechanical connection structure of titanium and composite panel by simulation and experiment[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016 (in Chinese).
[9] SATHIYA NAARAYAN S, PAVAN KUMAR D V T G, CHANDRA S. Implication of unequal rivet load distribution in the failures and damage tolerant design of metal and composite civil aircraft riveted lap joints[J]. Engineering Failure Analysis, 2009, 16(7): 2255–2273. doi: 10.1016/j.engfailanal.2009.03.016
[10] PAVAN KUMAR D, SATHIYA NAARAYAN S, KALYANA SUNDARAM S, et al. Further numerical and experimental failure studies on single and multi-row riveted lap joints[J]. Engineering Failure Analysis, 2012, 20: 9–24. doi: 10.1016/j.engfailanal.2011.10.002
[11] WEMMING H, LINDSTRÖM S B, JOHANSSON L, et al. Identification of bearing failure in composite-aluminium bolted joints using digital image correlation[J]. Composite Structures, 2022, 300: 116072. doi: 10.1016/j.compstruct.2022.116072
[12] ROUHI M S, RAMANTANI D, TAY T E. 3D explicit simulation of bearing failure in metal–composite bolted joints[J]. Composite Structures, 2022, 284: 115108. doi: 10.1016/j.compstruct.2021.115108
[13] CAO Y J, ZHI J, ZUO D Q, et al. Mesoscale modelling of progressive damage and failure in single-lap and double-lap thin-ply laminated composite bolted joints[J]. Composite Structures, 2023, 316: 117046. doi: 10.1016/j.compstruct.2023.117046
[14] MCCARTHY M A, MCCARTHY C T, PADHI G S. A simple method for determining the effects of bolt–hole clearance on load distribution in single-column multi-bolt composite joints[J]. Composite Structures, 2006, 73(1): 78–87. doi: 10.1016/j.compstruct.2005.01.028
[15] MCCARTHY C T, GRAY P J. An analytical model for the prediction of load distribution in highly torqued multi-bolt composite joints[J]. Composite Structures, 2011, 93(2): 287–298. doi: 10.1016/j.compstruct.2010.09.017
[16] GRAY P J, MCCARTHY C T. An analytical model for the prediction of through-thickness stiffness in tension-loaded composite bolted joints[J]. Composite Structures, 2012, 94(8): 2450–2459. doi: 10.1016/j.compstruct.2012.02.011
[17] TAHERI-BEHROOZ F, SHAMAEI KASHANI A R, HEFZABAD R N. Effects of material nonlinearity on load distribution in multi-bolt composite joints[J]. Composite Structures, 2015, 125: 195–201. doi: 10.1016/j.compstruct.2015.01.047
[18] SHAMAEI-KASHANI A R, SHOKRIEH M M. An analytical approach to predict the mechanical behavior of single-lap single-bolt composite joints reinforced with carbon nanofibers[J]. Composite Structures, 2019, 215: 116–126. doi: 10.1016/j.compstruct.2019.02.055
[19] ZHANG J M. Design and analysis of mechanically fastened composite joints and repairs[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements, 2001, 25(6): 431–441. doi: 10.1016/S0955-7997(01)00049-2
[20] ERIKSSON I, BÄCKLUND J, MÖLLER P. Design of multiple-row bolted composite joints under general in-plane loading[J]. Composites Engineering, 1995, 5(8): 1051–1068. doi: 10.1016/0961-9526(95)00044-N
[21] MADENCI E, SHKARAYEV S, SERGEEV B, et al. Analysis of composite laminates with multiple fasteners[J]. International Journal of Solids and Structures, 1998, 35(15): 1793–1811. doi: 10.1016/S0020-7683(97)00152-2
[22] HUTH H. Influence of fastener flexibility on the prediction of load transfer and fatigue life for multiple-row joints. Philadelphia: American Society for Testing and Materials; 1986: 221−250.
[23] RAVICHANDRAN B, BALASUBRAMANIAN M. Joining methods for fiber reinforced polymer (FRP) composites−a critical review[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2024, 186: 108394. doi: 10.1016/j.compositesa.2024.108394
[24] PRAMANIK A, BASAK A K, DONG Y, et al. Joining of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites and aluminium alloys–a review[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2017, 101: 1–29. doi: 10.1016/j.compositesa.2017.06.007
[25] SHANG X, MARQUES E A S, MACHADO J J M, et al. Review on techniques to improve the strength of adhesive joints with composite adherends[J]. Composites Part B: Engineering, 2019, 177: 107363. doi: 10.1016/j.compositesb.2019.107363
[26] 谢鸣九. 复合材料连接[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2011. XIE M J. Joints for composites materials[M]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University Press, 2011 (in Chinese).
[27] WEI Y, JIN X H, LUO Q T, et al. Adhesively bonded joints–a review on design, manufacturing, experiments, modeling and challenges[J]. Composites Part B: Engineering, 2024, 276: 111225. doi: 10.1016/j.compositesb.2024.111225
[28] KIM K S, YI Y M, CHO G R, et al. Failure prediction and strength improvement of uni-directional composite single lap bonded joints[J]. Composite Structures, 2008, 82(4): 513–520. doi: 10.1016/j.compstruct.2007.02.005
[29] MOHABEDDINE A, MALIK G, CORREIA J, et al. Experimental parametric investigation on the behavior of adhesively bonded CFRP/steel joints[J]. Composite Structures, 2023, 307: 116598. doi: 10.1016/J.COMPSTRUCT.2022.116598
[30] SILVA M A G, BISCAIA H, RIBEIRO P. On factors affecting CFRP-steel bonded joints[J]. Construction and Building Materials, 2019, 226: 360–375. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.06.220
[31] GUO J Z, ZHAN L H, MA B L, et al. A review on failure mechanism and mechanical performance improvement of FRP-metal adhesive joints under different temperature-humidity[J]. Thin-Walled Structures, 2023, 188: 110788. doi: 10.1016/J.TWS.2023.110788
[32] RUSSIAN O, KHAN S, BELARBI A, et al. Effect of surface preparation technique on bond behavior of CFRP-steel double-lap joints: experimental and numerical studies[J]. Composite Structures, 2021, 255: 113048. doi: 10.1016/j.compstruct.2020.113048
[33] YANG G X, YANG T, YUAN W H, et al. The influence of surface treatment on the tensile properties of carbon fiber-reinforced epoxy composites-bonded joints[J]. Composites Part B: Engineering, 2019, 160: 446–456. doi: 10.1016/j.compositesb.2018.12.095
[34] ZHANG Z, SHAN J G, TAN X H, et al. Effect of anodizing pretreatment on laser joining CFRP to aluminum alloy A6061[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2016, 70: 142–151. doi: 10.1016/j.ijadhadh.2016.06.007
[35] TAKEDA T, YASUOKA T, HOSHI H, et al. Effectiveness of flame-based surface treatment for adhesive bonding of carbon fiber reinforced epoxy matrix composites[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2019, 119: 30–37. doi: 10.1016/j.compositesa.2019.01.013
[36] TAKEDA T, YASUOKA T, SUGIMOTO S, et al. Strength enhancement of adhesively bonded Ti-6Al-4V alloy joints by flame-based surface treatment[J]. The Journal of Adhesion, 2022, 98(7): 1016–1035. doi: 10.1080/00218464.2020.1870106
[37] SACHSE R, PICKETT A K, ESSIG W, et al. Experimental and numerical investigation of the influence of rivetless nut plate joints on fatigue crack growth in adhesively bonded composite joints[J]. International Journal of Fatigue, 2017, 105: 262–275. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2017.08.001
[38] DENKERT C, GERKE T, GLIENKE R, et al. Experimental investigations on pre-tensioned hybrid joints for structural steel applications[J]. The Journal of Adhesion, 2023, 99(2): 117–152. doi: 10.1080/00218464.2021.2003786
[39] LI X, TAN Z Y, WANG L C, et al. Experimental investigations of bolted, adhesively bonded and hybrid bolted/bonded single-lap joints in composite laminates[J]. Materials Today Communications, 2020, 24: 101244. doi: 10.1016/j.mtcomm.2020.101244
[40] 陈向明, 柴亚南, 袁菲, 等. 胶−螺混合连接结构的传力分析[J]. 机械强度, 2017, 39(3): 668–673. doi: 10.16579/j.issn.1001.9669.2017.03.029 CHEN X M, CHAI Y N, YUAN F, et al. Load transfer analysis in bonded-bolted hybrid joints[J]. Journal of Mechanical Strength, 2017, 39(3): 668–673. doi: 10.16579/j.issn.1001.9669.2017.03.029
[41] 杨晓, 贺娜, 肖鹏, 等. 拉伸载荷作用下玻纤复合材料−铝合金双钉混合连接接头失效行为数值研究[J/OL]. 复合材料科学与工程, 2024: 1-9 [2025-03-04]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1683.TU.20240627.1723.008.html. YANG X, HE N, XIAO P, et al. Numerical study of failure behavior of glass fiber composite material and aluminum alloy double-bolt hybrid joint under tensile loading[J/OL]. Composites Science and Engineering, 2024: 1-9 [2025-03-04]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1683.TU.20240627.1723.008.html (in Chinese).
[42] LI X, TAN Z Y, WANG L C, et al. Experimental investigations of bolted, adhesively bonded and hybrid bolted/bonded single-lap joints in composite laminates[J]. Materials Today Communications, 2020, 24: 101244. doi: 10.1016/j.mtcomm.2020.101244
[43] 刘志明, 许昶. 碳纤维增强环氧树脂复合材料与铝板胶螺混合连接接头失效仿真[J]. 复合材料学报, 2019, 36(10): 2308–2315. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181217.002 LIU Z M, XU C. Failure simulation of carbon fiber reinforced epoxy resin composite-aluminum bonded-bolted hybrid joint[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2019, 36(10): 2308–2315 (in Chinese). doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181217.002
[44] XIANG S, CHENG B, WANG J X, et al. Experimental and numerical investigation on failure behavior of hybrid bonded/bolted GFRP single-lap joints under static shear loading[J]. Engineering Failure Analysis, 2024, 158: 107969. doi: 10.1016/j.engfailanal.2024.107969
[45] 贺娜, 曹东风, 王靖壹, 等. 高低温环境下复合材料−铝合金双钉双搭接胶螺混合结构拉伸失效行为[J/OL]. 复合材料学报, 2024: 1−15 [2025-03-04]. https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20241121.001. HE N, CAO D F, WANG J Y, et al. Tensile failure behaviors of composite-aluminum alloy double-bolt double-lap bolted-bonded hybrid structures under high and low temperature environments[J/OL]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2024: 1−15 [2025-03-04]. https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20241121.001 (in Chinese).
[46] 卢弈先, 曹东风, 胡海晓, 等. 高温环境对胶螺混合连接复合材料结构失效行为的影响[J]. 复合材料学报, 2024, 41(12): 6844–6857. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240312.001 LU Y X, CAO D F, HU H X, et al. Effect of elevated temperature on failure behavior of hybrid bolted-bonded joints in composite structures[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2024, 41(12): 6844–6857 (in Chinese). doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240312.001
[47] 谢鸣九. 影响复合材料机械连接强度的因素研究[R]. 飞机强度研究所. Q/12S-9001-69, 1991. (查阅网上资料, 未找到本条文献, 请确认) [48] İÇTEN B M, SAYMAN O. Failure analysis of pin-loaded aluminum–glass–epoxy sandwich composite plates[J]. Composites Science and Technology, 2003, 63(5): 727–737. doi: 10.1016/S0266-3538(02)00260-9
[49] CHEN W H, LEE S S, YEH J T. Three-dimensional contact stress analysis of a composite laminate with bolted joint[J]. Composite Structures, 1995, 30(3): 287–297. doi: 10.1016/0263-8223(94)00041-7
[50] AKTAS A, HUSNU DIRIKOLU M. An experimental and numerical investigation of strength characteristics of carbon-epoxy pinned-joint plates[J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(10-11): 1605–1611. doi: 10.1016/j.compscitech.2003.11.005
[51] OKUTAN B, ASLAN Z, KARAKUZU R. A study of the effects of various geometric parameters on the failure strength of pin-loaded woven-glass-fiber reinforced epoxy laminate[J]. Composites Science and Technology, 2001, 61(10): 1491–1497. doi: 10.1016/S0266-3538(01)00043-4
[52] WANG J, BANBURY A, KELLY D W. Evaluation of approaches for determining design allowables for bolted joints in laminated composites[J]. Composite Structures, 1998, 41(2): 167–176. doi: 10.1016/S0263-8223(98)00053-1
[53] 王花娟, 杨杰, 刘新东, 等. 几何参数对玻璃纤维织物/环氧层合板螺栓连接强度影响的实验研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2008(1): 3–5,29. doi: 10.3969/j.issn.1003-0999.2008.01.001 WANG H J, YANG J, LIU X D, et al. Experimental study on bolted joints strength of twill glass fabric epoxy composites[J]. Composites Science and Engineering, 2008(1): 3–5,29 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1003-0999.2008.01.001
[54] ROSNER C N. Single-bolted connections for orthotropic fibre-reinforced composite structural members[D]. Winnipeg: University of Manitoba, 1992.
[55] 谢鸣九. 复合材料单钉连接疲劳性能研究[C]//第十三届全国复合材料学术会议. 成都, 2004. (查阅网上资料, 未找到本条文献的出版信息, 请确认) [56] SELVARAJ S, CHAN T M, YOUNG B. Influence of geometry on failure modes of PFRP single bolted connections[J]. Engineering Structures, 2023, 274: 115078. doi: 10.1016/j.engstruct.2022.115078
[57] AKTAŞ A, İMREK H, CUNEDIOĞLU Y. Experimental and numerical failure analysis of pinned-joints in composite materials[J]. Composite Structures, 2009, 89(3): 459–466. doi: 10.1016/j.compstruct.2008.09.009
[58] 何柏灵, 葛东云, 莫与明, 等. T800碳纤维增强复合材料双剪单钉连接的拉伸试验及强度估算[J]. 复合材料学报, 2016, 33(7): 1540–1552. doi: 10.3969/j.issn.1673-2944.2006.04.005 HE B L, GE D Y, MO Y M, et al. Tensile tests and strength estimation for double-lap single-bolt joints in T800 carbon fiber reinforced composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2016, 33(7): 1540–1552 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1673-2944.2006.04.005
[59] 顾亦磊, 赵美英, 王芳, 等. 复合材料层合板机械连接失效分析及铺层优化[J]. 陕西理工学院学报(自然科学版), 2006, 22(4): 13–17. doi: 10.3969/j.issn.1673-2944.2006.04.005 GU Y L, ZHAO M Y, WANG F, et al. Failure analysis of composite bolted joints and the ply scheme optimization[J]. Journal of Shaanxi University of Technology (Natural Science Edition), 2006, 22(4): 13–17 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1673-2944.2006.04.005
[60] 顾亦磊. 复合材料机械连接强度分析及影响因素研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2006. [61] 菲利普斯. 复合材料的设计基础与应用[M]. 北京: 航空工业出版社, 1992. [62] LIM T S, KIM B C, LEE D G. Fatigue characteristics of the bolted joints for unidirectional composite laminates[J]. Composite Structures, 2006, 72(1): 58–68. doi: 10.1016/j.compstruct.2004.10.013
[63] 张卓, 杨彩云, 李嘉禄. 螺栓连接对二维机织物增强复合材料拉伸性能影响的实验研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2003(2): 11–14. doi: 10.3969/j.issn.1003-0999.2003.02.003 ZHANG Z, YANG C Y, LI J L. Effect of bolted joints on tensile properties of laminated composite[J]. Composites Science and Engineering, 2003(2): 11–14 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1003-0999.2003.02.003
[64] 中国航空研究院. 复合材料连接手册[M]. 北京: 航空工业出版社, 1994. [65] 张永杰, 孙秦. 层合板预紧螺栓搭接孔边应力分析[J]. 应用力学学报, 2009, 26(2): 389-392. ZHANG Y J, SUN Q. Hole-edge stress analysis of composite laminate lapped with preloaded bolt[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2009, 26(2): 389-392 (in Chinese). (查阅网上资料, 未找到本条文献的doi, 请确认)
[66] YAN Y, WEN W D, CHANG F K, et al. Experimental study on clamping effects on the tensile strength of composite plates with a bolt-filled hole[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1999, 30(10): 1215–1229. doi: 10.1016/S1359-835X(99)00002-0
[67] SUN H T, CHANG F K, QING X L. The response of composite joints with bolt-clamping loads, Part I: model development[J]. Journal of Composite Materials, 2002, 36(1): 47–67. doi: 10.1177/0021998302036001301
[68] KRETSIS G, MATTHEWS F L. The strength of bolted joints in glass fibre/epoxy laminates[J]. Composites, 1985, 16(2): 92–102. doi: 10.1016/0010-4361(85)90615-9
[69] LIU J, GUO T, WEI Y, et al. Investigation of the effect of pre-tightening forces on bolted connection for FRP-steel joints[J]. Case Studies in Construction Materials, 2023, 19: e02348. doi: 10.1016/j.cscm.2023.e02348
[70] KHASHABA U A, SALLAM H E M, AL-SHORBAGY A E, et al. Effect of washer size and tightening torque on the performance of bolted joints in composite structures[J]. Composite Structures, 2006, 73(3): 310–317. doi: 10.1016/j.compstruct.2005.02.004
[71] IREMAN T, RANVIK T, ERIKSSON I. On damage development in mechanically fastened composite laminates[J]. Composite Structures, 2000, 49(2): 151–171. doi: 10.1016/S0263-8223(99)00130-0
[72] LIN Q Y, ZHAO Y, PAN W, et al. An improved 3D model of composite bolted joints with detailed thread structure and progressive damage analysis of realistic tightening process[J]. Composite Structures, 2023, 315: 117016. doi: 10.1016/j.compstruct.2023.117016
[73] EKH J, SCHÖN J, GUNNAR MELIN L. Secondary bending in multi fastener, composite-to-aluminium single shear lap joints[J]. Composites Part B: Engineering, 2005, 36(3): 195–208. doi: 10.1016/j.compositesb.2004.09.001
[74] CHEN C, HU D A, LIU Q M, et al. Evaluation on the interval values of tolerance fit for the composite bolted joint[J]. Composite Structures, 2018, 206: 628–636. doi: 10.1016/j.compstruct.2018.08.062
[75] 王花娟, 杨杰, 刘新东, 等. 装配间隙对GF/E螺栓连接强度的影响[J]. 宇航材料工艺, 2008, 38(1): 78–80. doi: 10.3969/j.issn.1007-2330.2008.01.019 WANG H J, YANG J, LIU X D, et al. Fit-up gap effect on bolted joints strength of twill GF/E composites[J]. Aerospace Materials & Technology, 2008, 38(1): 78–80 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1007-2330.2008.01.019
[76] CHISHTI M, WANG C H, THOMSON R S, et al. Numerical analysis of damage progression and strength of countersunk composite joints[J]. Composite Structures, 2012, 94(2): 643–653. doi: 10.1016/j.compstruct.2011.08.030
[77] EGAN B, MCCARTHY M A, FRIZZELL R M, et al. Finite element analysis of catastrophic failure of dynamically-loaded countersunk composite fuselage joints[J]. Composite Structures, 2015, 133: 1198–1208. doi: 10.1016/j.compstruct.2015.07.004
[78] 蔡启阳, 赵琪. 环境温度和间隙对复合材料−金属混合结构机械连接钉载分配的影响[J]. 复合材料学报, 2021, 38(12): 4228–4238. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210301.005 CAI Q Y, ZHAO Q. Effects of temperature and clearance fit on the load distribution of composite-metal hybrid structures[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2021, 38(12): 4228–4238 (in Chinese). doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210301.005
[79] TURVEY G J, SANA A. Pultruded GFRP double-lap single-bolt tension joints–temperature effects on mean and characteristic failure stresses and knock-down factors[J]. Composite Structures, 2016, 153: 624–631. doi: 10.1016/j.compstruct.2016.06.016
[80] 潘文革, 矫桂琼, 杨杰. 二维机织复合材料湿热环境下挤压和断纹剪切强度研究[J]. 机械强度, 2007, 29(5): 848–851. doi: 10.3321/j.issn:1001-9669.2007.05.032 PAN W G, JIAO G Q, YANG J. Experimental studies of bearing strength and punch-type strength of woven-fiber iaminate composites in hygrothermal environment[J]. Journal of Mechanical Strength, 2007, 29(5): 848–851 (in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1001-9669.2007.05.032
[81] SHAN M J, ZHANG R F, GONG Y, et al. Revealing the coupled effects of hygrothermal environment and geometrical parameters on the failure of double-lap, single-bolt composite joints[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 24: 8282–8295. doi: 10.1016/J.JMRT.2023.05.071
[82] SOYKOK I F, SAYMAN O, OZEN M, et al. Failure analysis of mechanically fastened glass fiber/epoxy composite joints under thermal effects[J]. Composites Part B: Engineering, 2013, 45(1): 192–199. doi: 10.1016/j.compositesb.2012.08.008
[83] SOYKOK I F, SAYMAN O, OZEN M. Low temperature and tightening torque effects on the failure response of bolted glass fiber/epoxy composite joints[J]. Journal of Composite Materials, 2013, 47(26): 3257–3268. doi: 10.1177/0021998312463828
[84] ZHANG J, ROWLAND J. Damage modeling of carbon-fiber reinforced polymer composite pin-joints at extreme temperatures[J]. Composite Structures, 2012, 94(8): 2314–2325. doi: 10.1016/j.compstruct.2012.03.011
[85] 郭居上. 温度场中复合材料板与铝合金板钉接结构内应力研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2013. GUO J S. Internal stress analysis of bolted joints composed of composite plate and aluminum plate in thermal field[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2013 (in Chinese).
[86] 徐鲁兵, 张宏建, 吕文礼, 等. 高温下复合材料螺栓接头强度的试验研究[J]. 装备环境工程, 2017, 14(9): 48–52. doi: 10.7643/issn.1672-9242.2017.09.010 XU L B, ZHANG H J, LÜ W L, et al. Experimental study on strength of bolted joint of composites at elevated temperature[J]. Equipment Environmental Engineering, 2017, 14(9): 48–52 (in Chinese). doi: 10.7643/issn.1672-9242.2017.09.010
[87] XUE C C, YU M, YANG B Y, et al. Experimental and numerical study on tensile properties of bolted GFRP joints at high and low temperatures[J]. Composite Structures, 2022, 293: 115743. doi: 10.1016/j.compstruct.2022.115743
[88] HU J S, MI S Q, YANG Z Y, et al. An experimental investigation on bearing behavior and failure mechanism of bolted composite interference-fit joints under thermal effects[J]. Engineering Failure Analysis, 2022, 131: 105830. doi: 10.1016/j.engfailanal.2021.105830
[89] HU J S, ZHANG K F, CHENG H, et al. Modeling on mechanical behavior and damage evolution of single-lap bolted composite interference-fit joints under thermal effects[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2021, 34(8): 230–244. doi: 10.1016/j.cja.2020.09.023
[90] ULUS H. An experimental assessment of hybrid bolted/bonded basalt fiber reinforced polymer composite joints' temperature-dependent mechanical performances by static and dynamic mechanical analyses[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2022, 114: 103120. doi: 10.1016/j.ijadhadh.2022.103120
[91] SASIKUMAR A, GUERRERO J M, QUINTANAS-COROMINAS A, et al. Numerical study to understand thermo-mechanical effects on a composite-aluminium hybrid bolted joint[J]. Composite Structures, 2021, 275: 114396. doi: 10.1016/j.compstruct.2021.114396
[92] LÜ H Y, SHI S S, CHEN B Z, et al. Low-velocity impact performance of orthogonal grid reinforced CFRP-foam sandwich structure[J]. Thin-Walled Structures, 2023, 193: 111236. doi: 10.1016/J.TWS.2023.111236
[93] LI Z Y, MA Z, WANG J F, et al. Low-velocity impact behavior and damage mechanisms of honeycomb sandwich structures with elastomeric interlayers in CFRP skins[J]. Thin-Walled Structures, 2024, 205: 112482. doi: 10.1016/J.TWS.2024.112482
[94] 陈夏良. 复合材料夹芯板沉头螺栓连接的强度研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2016. CHEN X L. Strength of composite sandwich plate fastened with countersunk bolts[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2016 (in Chinese).
[95] 孙九霄, 郑绍文, 蔡敬标. 一种复合材料—钢连接结构极限承载能力试验与数值研究[J]. 中国舰船研究, 2015, 10(1): 27–31,45. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.004 SUN J X, ZHENG S W, CAI J B. The experimental and numerical research on the extreme bearing capacity of a composite-steel connecting structure[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2015, 10(1): 27–31,45 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.004
[96] 李永康. 玻璃钢夹芯板典型连接结构强度特性与承载能力分析[D]. 武汉: 华中科技大学, 2020. doi: 10.27157/d.cnki.ghzku.2020.005881. LI Y K. Strength characteristics and load-bearing capacity analysis of typical joint structures of FRP sandwich panels[D]. Wuhan: Huazhong University of Science & Technology, 2020. doi: 10.27157/d.cnki.ghzku.2020.005881 (in Chinese).
[97] 侯磊, 李永康, 刘均. 玻璃纤维增强型复合材料夹芯板螺栓连接强度分析[J]. 中国水运, 2021, 21(6): 58-60. (查阅网上资料, 未找到本条文献的英文信息、doi, 请确认) [98] 张一鸣, 严仁军. 复合材料夹芯板螺栓连接渐进失效分析[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2023, 47(5): 856–861. doi: 10.3963/j.issn.2095-3844.2023.05.015 ZHANG Y M, YAN R J. Progressive failure analysis of bolted joint of composite sandwich plate[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2023, 47(5): 856–861 (in Chinese). doi: 10.3963/j.issn.2095-3844.2023.05.015
[99] LI M Z, LIU Z P, YAN R J, et al. Experimental and numerical investigation on composite single-lap single-bolt sandwich joints with different geometric parameters[J]. Marine Structures, 2022, 85: 103259. doi: 10.1016/j.marstruc.2022.103259
[100] 史云泽, 严仁军, 邱屿. 复合材料夹芯板多钉连接结构孔周应力分布研究[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2023, 47(3): 479–483. doi: 10.3963/j.issn.2095-3844.2023.03.017 SHI Y Z, YAN R J, QIU Y. Research on stress distribution around hole of multi-nail connection structure of composite sandwich panel[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2023, 47(3): 479–483 (in Chinese). doi: 10.3963/j.issn.2095-3844.2023.03.017
[101] 李涵, 郭占一. 轻型复合材料上层建筑与钢质船体连接结构设计分析[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(4): 36–45. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01565 LI H, GUO Z Y. Design and analysis of joints between light composite superstructure and steel hull[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(4): 36–45. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01565
[102] 冯旭. H型混杂连接接头设计与力学性能分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2019. doi: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004759. FENG X. Design and mechanical property analysis of H-type hybrid joint[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2019. doi: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004759 (in Chinese).
[103] KHARGHANI N, GUEDES SOARES C. Experimental and numerical study of hybrid steel-FRP balcony overhang of ships under shear and bending[J]. Marine Structures, 2018, 60: 15–33. doi: 10.1016/j.marstruc.2018.03.003
[104] KHARGHANI N, GUEDES SOARES C, TSOUVALIS N G. Experimental and numerical study of the bolt reinforcement of a composite-to-steel butt-joint under three-point bending test[J]. Marine Structures, 2019, 63: 384–403. doi: 10.1016/j.marstruc.2018.08.009
[105] KHARGHANI N, GUEDES SOARES C. Mechanical properties evaluation of the components of a failed hybrid steel-FRP balcony overhang in ships[J]. Marine Structures, 2019, 68: 102647. doi: 10.1016/j.marstruc.2019.102647
[106] XU L, KHARGHANI N, LI M Z, et al. Design improvement of a composite-to-steel butt-joint based on finite element analysis[J]. Ocean Engineering, 2021, 238: 109771. doi: 10.1016/j.oceaneng.2021.109771
计量
- 文章访问数: 162
- HTML全文浏览量: 62
- PDF下载量: 5
