复合材料螺栓连接结构力学性能研究进展*

豆广征，刘 峰，王卓煜，李雪江

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

复合材料因具有比强度高、比刚度高、可设计性强等特点，被广泛应用在航空航天领域。近年来，飞机结构中采用复材制造的部件从舱门、垂尾等次承力部件逐渐过渡到机身、机翼等主承力部件[1]。螺栓连接以其承载能力高、易拆卸等特点，成为复合材料最重要的连接形式之一。常用的层合复合材料具有正交各向异性力学特征，复材螺栓连接强度问题成为影响结构强度的关键问题之一。大量实验和工程案例表明，连接部位通常是整个结构的薄弱环节，对连接进行准确的失效分析和强度预测是保障结构安全的必要条件。复材螺接失效预测主要分为2步：通过试验测定法或计算分析法给出外载荷作用下钉载的分配情况；对应力水平最高的一些关键孔进行失效分析。另外，复合材料铺层顺序、螺栓拧紧力矩等因素也对连接强度有较大影响，国内外学者也对此进行了较为深入的研究[2-4]。

本文对复合材料螺接结构的失效机理、分析方法以及强度影响因素进行了综述，并对未来的相关研究方向进行了展望，为复材螺接结构在航空航天领域的应用提供参考。

1 失效形式

复材螺接结构中，被连接板一般有2种受载方式：剪切和拉伸。2种载荷下螺栓都受剪切载荷作用。该结构失效模式主要有层合板的拉伸、挤压、剪切和劈裂破坏及螺栓的剪切、拉脱破坏。其中，层合板的拉伸破坏是全局性失效，主要是层合板宽度过小、铺层过少或垂直于载荷方向铺层比例过大造成。挤压破坏出现在层合板紧固件孔壁，属于局部损伤；剪切破坏和劈裂破坏作为2种低强度破坏会导致连接完全失效，应避免发生。螺栓的弯曲失效和剪断破坏一般出现在层合板厚度与螺栓直径之比较大时。在实际中，往往2～3种破坏模式同时发生，例如拉伸-剪切、挤压-剪切等[5]。复合材料螺栓连接失效形式如图1所示。

2 钉载分配

在几何构型相同的情况下，复合材料应力集中情况较金属板更明显。对于复合材料层合板多钉连接结构，准确地预测钉载分配成为复合材料连接技术中的重要环节。确定钉载分配的方法主要有2类：试验测定法和计算分析法。试验测定法主要有应变计电测法和测量螺栓法[6]；计算分析法主要为有限元法。

a) 单一型破坏形式

b) 混合型破坏形式

2.1 试验测定法

应变计电测法确定钉载是一种间接测量方法。通过在试验件宽度方向黏贴应变片，得到截面上应变分布规律，进而计算钉载分配。V. P. Lawlor等[7]通过应变计电测法研究了单排三钉双搭连接接头中，钉载分配受螺孔间隙量的影响；刘向东等[8]用应变计电测法获得了连接件应变分布，估算了钉载分配，并与有限元分析方法分析结果作了对比，应变测量情况比较吻合，但钉载分配结果存在较大偏差。

B. Palmberg[9]提出的测量螺栓法是目前应用最广泛的钉载测试技术，在钉孔两侧开槽，并将应变片粘贴在槽内剪切面两侧沿±45°方向，在结构承载过程中，测量螺栓剪应变并基于螺栓输出应变与载荷对应关系确定传递的载荷如图2所示。V. P. Lawlor等采用测量螺栓法并对复合材料层合板三钉单剪连接接头钉载分配问题进行了研究。J. Ekh等[10]采用测量螺栓法获得了复合材料-铝板四钉单剪连接的钉载分配，试验测定数据与计算结果高度一致。

图2 测量螺栓法

测量螺栓法相较于应变计电测法，在安装精度上有着更高的要求，同时也表现出更好的测量精度。

2.2 计算分析法

有限元法是目前最常用的钉载分配分析方法，该方法考虑连接板与螺栓接触面上由接触面变化和摩擦作用引起的接触非线性问题，在模拟层合板螺栓连接结构时具有更高的真实性。根据有限元模型单元维数不同对有限元模拟法进行分类。一类是将连接板和螺栓用低维单元模拟建立有限元模型，J. Ehk等[11]采用一维单元梁模型模拟层合板和螺栓。刘向东等将层合板用Shell99壳单元模拟，螺栓用Beam188梁单元模拟，研究钉载分配特性。二维有限元模拟法模拟连接条件，计算方便，结果可靠。但在研究钉载分配影响因素时，需要附加单元或约束。另一类是J. Kim等[12]采用的三维实体有限元建模。该类模型对螺栓和连接板之间的接触进行了详细定义[13-15]，载荷分配计算结果精度高，并且可以模拟几何参数及外界因素对载荷分配的影响，但模型划分复杂，计算效率降低。随着有限元技术的发展，P. J. Gray等[16]提出了全局螺栓连接模型，即对于螺栓及螺孔附近区域采用三维单元建模，其余部分采用二维单元建模，且对连接板和螺栓之间用刚性接触面进行耦合。该模型在确保预测精度的前提下，大大提高了计算效率，充分发挥了有限元法的优势，但刚性接触面无法模拟接触应变，无法对复材板的渐进损伤进行分析。

有限元法能够真实地模拟层合板螺栓连接，且相较于试验测定法，在计算效率以及预测精度上存在明显优势，因此有限元法成为了目前最常用的钉载分配预测方法。

3 失效预测

复合材料螺接结构失效预测方法主要有强度包线法、特征曲线法和渐进损伤法。强度包线法是一种经验法，采用破坏包线评定螺栓连接强度；特征曲线法和渐进损伤法属于分析方法，采用材料失效准则通过强度分析进行预测。

3.1 强度包线法

强度包线法是一种工程应用的经验方法，由L. J. Harm-smith等[17]通过大量试验总结提出，能够方便预测螺栓连接挤压强度(见图3中ACE段)。另外，L. J. Hart-smith等在研究层合板拉伸破坏时，给出了多钉连接板拉伸破坏强度包线方程：

Kbcσbr+Ktcσby=[σt]

(1)

式中，Ktc为应力集中缩减系数；σbr和σby分别为挤压应力和旁路应力；[σt]为无缺口层压板的拉伸强度。

图3 强度包络线

该方法通过找出与所研究复合材料同样形状的各向同性材料，计算其理论弹性应力集中系数，结合复合材料试件试验结果所得应力集中缩减系数Ktc确定应力减缓因子，通过经验公式计算Kbc值。

Liu等[18]对L. J. Hart-smith等所提强度包线法进行了改进，考虑了旁路载荷对挤压强度的影响，如图3中AHE段所示，直线AH的斜率由拉伸和压缩尺度因子决定，试验表明该模型对于失效模式以及破坏载荷预测更准确。赵丽滨等[19]提出以渐进损伤分析代替应力集中减缓因子C测定实验，基于数值分析建立强度包线，预测多钉连接失效模式和失效载荷。该方法与传统强度包线法预测结果具有良好的一致性。

3.2 特征曲线法

J. M. Whitney等[20]在研究复材结构时，首先提出特征尺寸的概念，并延伸建立特征曲线法：用孔边以某种函数表达的曲线上的应力代入失效准则确定机械强度；R. J. Nusimer等[21]将该失效分析法引入实际应用中；F. K. Chang等[22]将复材结构特征长度法进行延伸，结合点应力准则，提出了具有余弦形式的特征曲线(见图4)，表达式为：

rc(θ)=r0+Rt+(Rc-Rt)cosθ

(2)

3.3 渐进损伤法

渐进损伤法很好地揭示了复合材料连接结构失效机理。该方法预测螺栓连接强度主要分为如下步骤：复合材料层合板建模，应力分布计算，选取失效准则判断材料是否发生失效，具体分析流程图如图5所示。

图4 余弦变化的特征曲线

图5 渐进损伤法分析流程图

渐进损伤法发展历程中，F. K. Chang等[23]首次提出用渐进损伤法对复材螺接结构进行失效预测研究，有效模拟了螺接结构在承受拉伸、挤压、剪切条件下的初始损伤及失效过程。P. P. Camanho等[24]对复合材料机械连接渐进损伤法研究进行了总结，认为目前有限元模型并不理想，对接触、摩擦等因素考虑不完善。U. M. Yan等[25]建立有限元模型，运用渐进损伤法研究了拉伸作用下，复材螺接结构铺层方向、垫片尺寸等对连接强度的影响。M. L. Dano等[26]研究不同失效准则对连接强度的影响。M. M. Shokrich等[27]运用渐进损伤法预测螺栓接头的疲劳性能。

渐进损伤法发展已较为成熟，该方法预测精度受到几何模型准确性、强度准则、刚度折减系数的影响很大，目前仍未具有统一的失效准则和材料退化方法。

4 连接强度影响因素

4.1 铺层方式

航空飞行器结构中复合材料层压板一般采用0°、±45°、90°4种铺层角，各铺层角所占比例以及顺序对层合板连接强度有着重要影响。H. J. Park[28]通过研究铺层顺序为[906/06]S和[06/906]S两种层合板，发现[906/06]S相较于[06/906]S连接强度高出100%，并且在分析[903/±453/03]s、[903/03/±453]s、[03/±453/903]s3种层合板强度时，得出[903/±453/03]s具有最大极限挤压强度，[903/03/±453]s具有最大层间强度。

王丹勇等[29]选取同文献[30]中9种试验件进行计算与实验，分析了各铺层损伤机理。通常损伤区先出现纤维和基体剪切损伤，随后诱发基体断裂。参数化三维渐进损伤模型计算结果表明：0°、90°、±45°铺层比例均衡的层合板连接强度一般高于其他铺层方案。顾亦磊等[31]认为在螺栓连接中可以通过改善90°铺层和0°铺层比例，改善层合板的连接性能。

铺层方式作为复合材料的设计参数，对层合板力学性能有着很大影响。将90°铺层置于表面层、选择比例均匀的0°、90°、±45°以及基于层合板抗拉能力和抗劈裂能力的要求选择90°或0°铺层等，都可以有效提高层合板的连接强度。

4.2 拧紧力矩

图6给出了HTS/RLA4617碳纤维复合材料层合板挤压强度随侧向约束的变化[32]。当侧向约束达到22 MPa后，连接强度没有随着侧向约束变化而明显提高。顾亦磊[33]和张岐良等[34]研究不同拧紧力矩对连接强度影响时，发现连接强度随着拧紧力矩增加而增大，但存在极限值，超过该值后增加拧紧力矩反而会降低连接强度。另外，施加拧紧力矩会使垫片产生压应力，可以缓解复合材料分层破坏以及由螺栓杆挤压导致0°层纤维的弯曲，进而提高层合板中薄弱层的挤压强度。

图6 挤压强度随侧向约束变化

5 总结与展望

5.1 结论

本文综述了复材螺接结构失效形式，并对螺接性能相关的钉载分配、失效预测和强度影响因素等研究进行了分析，得出如下结论。

1)现有的钉载分配试验测试法中，测量螺栓法测定数据与计算结果高度一致，得到了研究人员的广泛认可。作为分析方法的有限元法，通过精确模拟螺栓与层合板之间的接触行为，可建立更为真实的模型，钉载分配预测结果精度较高。

2)3种失效预测方法中，强度包线法和特征曲线法因其简单方便的特点在工程上被广泛应用。渐进损伤法在预测螺接失效行为上表现更好，可以清楚了解材料损伤情况及其扩展过程。

3)螺接强度影响因素较多，各角度铺层比例均匀时，层合板性能最好；螺孔配合为-0.2%～0.3%时，接头强度最理想。

5.2 展望

1)有限元分析模型在复材螺接结构研究中充当着重要角色，有必要建立更加精确的模型，为钉载分配预测和渐进失效分析建立可靠基础。

2)目前研究一般仅考虑单一因素对螺栓连接强度的影响，实际上不同因素之间存在耦合。研究多变量对螺接性能影响，得到复材螺接结构连接强度的最佳参数值是未来的研究方向。