朱福先　仇剛　朱興民　徐先宜　周金宇

摘要：采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究碳-?；祀s復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的失效載荷、失效模式及其漸進(jìn)損傷過(guò)程?；贏BAQUS平臺(tái)建立了36種不同寬徑比（W/D）、端徑比（E/D）連接結(jié)構(gòu)的有限元模型。根據(jù)三維Hashin失效準(zhǔn)則和三維Chang-Chang失效準(zhǔn)則，結(jié)合連接結(jié)構(gòu)的拉伸試驗(yàn)，分析了結(jié)構(gòu)尺寸E/D、W/D對(duì)失效載荷和失效模式的影響，探討了不同失效模式下的漸進(jìn)損傷過(guò)程。研究結(jié)果表明，一定混雜比的碳-玻復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的失效主要有擠壓失效、剪切-擠壓混合失效、拉伸失效三種模式;連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸E/D、W/D對(duì)結(jié)構(gòu)的失效載荷和失效模式影響較大;連接結(jié)構(gòu)的擠壓失效模式是層合板在螺栓孔擠壓邊軸線位置發(fā)生基體擠壓損傷，并沿軸線方向呈扇形向外擴(kuò)展至結(jié)構(gòu)失效；剪切-擠壓破壞模式是層合板在螺栓孔至端面處發(fā)生大量纖維和基體的拉伸損傷，伴隨螺栓孔受壓邊基體擠壓損傷，形成豁口至結(jié)構(gòu)失效；拉伸失效模式是層合板在螺栓孔上下位置發(fā)生纖維和基體拉伸損傷，并沿橫向擴(kuò)展至層合板上下邊緣至結(jié)構(gòu)失效。

關(guān)鍵詞：混雜復(fù)合材料；機(jī)械連接；失效載荷；失效模式；漸進(jìn)損傷分析

中圖分類號(hào)：TB332

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.002

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Failure Mode and Progressive Damage Analyses of Carbon-glass Hybrid

Composite Single Nail and Single Shear Bolted Joints

ZHU Fuxian¹QIU Gang¹ZHU Xingmin¹XU Xianyi²ZHOU Jinyu³

1.School of Materials Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou，Jiangsu，213001

2.State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment，China Academy of

Machinery Science Technology，Beijing，100044

3.School of Electromechanical Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing，211109

Abstract： The failure load， failure mode， and progressive damage processes of carbon-glass hybrid composite bolted connection structures were studied by using the method of experiments and numerical simulations. Based on the ABAQUS platform， the finite element models of 36 different types of connection structures with various width to diameter ratios（W/D） and end to diameter ratios（E/D） were established. According to the three-dimensional Hashin failure criterion and Chang-Chang failure criterion， the effects of structural dimensions E/D and W/D on the failure load and failure mode were analyzed， combined with the findings of the tensile tests. The impacts of E/D and W/D on the failure load and failure mode of the connection structures and the progressive damage processes of the connection structures under various failure modes were discussed. The results show that the failure modes of the carbon-glass hybrid composite bolted connection structures with a specific hybrid ratio include bearing failure， shear-bearing failure， and tensile failure. The structural dimensions E/D and W/D have a greater impact on the failure load and failure mode. The bearing failure mode of the connection structures is that the matrix of the laminated plates are damaged at the axis position on the extruding side of the bolt holes， and the failure extends outward in a sector shape along the axis to the structure failure. The shear-bearing failure mode is that a large number of fiber and matrix tensile damage occur from the bolt holes to the end face of the laminated plates， with the matrix bearing damage at the compression side of the bolt holes， generating a notch to the structural failure. The tensile failure mode is that the fiber and matrix tensile damage occurs at the upper and lower positions of the bolt holes of the laminates， and extends laterally to the upper and lower sides of the laminates， resulting in structural failure.

Key words： hybrid composite; mechanical connection; failure load; failure mode; progressive damage analysis

0 引言

復(fù)合材料因比強(qiáng)度高以及良好的耐腐蝕性而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、交通等領(lǐng)域^［1-2］。碳-玻混雜復(fù)合材料綜合了碳纖和玻纖的優(yōu)點(diǎn)，使材料的延伸性、抗疲勞性、耐沖擊性得到明顯改善^［3-4］。復(fù)合材料層合板常用的連接方法包括膠接、機(jī)械連接和混合連接，螺栓連接是其最常用的機(jī)械連接方式，相對(duì)于膠接、自沖鉚接等連接方法，螺栓連接具有低溫度敏感性、工藝簡(jiǎn)單、可靠性較高、傳遞載荷較大和易更換等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于飛機(jī)的主承載結(jié)構(gòu)中^［5-7］。連接結(jié)構(gòu)中，層合板開孔處的應(yīng)力集中和碳-玻混雜復(fù)合材料的各向異性引起的應(yīng)力差異使其成為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的薄弱位置，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的整體安全性，因此，有必要研究碳-玻混雜復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的失效模式和行為。

復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的失效模式包括拉伸破壞、擠壓破壞、剪切破壞等單一失效模式以及三者之間相互組合形成的組合失效模式^［8-9］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和漸進(jìn)損傷分析模型對(duì)復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的損傷及失效模式開展了大量研究。ZHOU等^［10］對(duì)不同幾何參數(shù)的T700碳纖維復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)端徑比小于3時(shí)，增加層合板的端距可以顯著增大連接結(jié)構(gòu)的失效載荷。隨后，劉方等^［11］基于蔡-吳準(zhǔn)則建立了T700碳纖維復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷模型，得出與ZHOU等^［10］相似的結(jié)論，但當(dāng)端徑比大于3時(shí)繼續(xù)增加層合板端距對(duì)結(jié)構(gòu)失效載荷的增大便無(wú)明顯作用。余芬等^［12］研究了碳纖維復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的損傷過(guò)程，認(rèn)為連接結(jié)構(gòu)中層合板的失效模式主要為基體拉伸失效與纖維壓縮失效。孫穎等^［13］對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了漸進(jìn)損傷分析，發(fā)現(xiàn)小端距結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)邊緣效應(yīng)，造成層合板的端部損傷。黃昱翔等^［14］對(duì)碳纖維復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的損傷過(guò)程展開研究，發(fā)現(xiàn)纖維損傷首先發(fā)生在層合板螺栓孔與螺栓接觸部位沿厚度方向的中間處，然后分別沿厚度方向和孔周向逐漸擴(kuò)展，而基體損傷則最先出現(xiàn)在螺栓孔上下端面且沿厚度向中間聚集，同時(shí)沿孔周向擴(kuò)展。李沛城等^［15］結(jié)合Hashin失效準(zhǔn)則、能量能散率方法、Puck 失效準(zhǔn)則以及材料損傷連續(xù)退化方法，建立了一種包含面內(nèi)損傷和層間損傷的碳纖維復(fù)合材料三維非線性模型，成功模擬了連接結(jié)構(gòu)的斷裂失效模式及損傷累積過(guò)程。馬毓等^［16］設(shè)計(jì)了6組結(jié)構(gòu)尺寸不同的碳纖維復(fù)合材料螺栓連接件，試驗(yàn)研究表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)的寬徑比和端徑比較小時(shí)，連接結(jié)構(gòu)的失效模式以拉伸破壞和剪切破壞為主。何柏靈等^［17-18］通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了4種不同鋪層比例的T800碳纖維復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明其失效模式與±45°及0°鋪層比例有關(guān)。初明越等^［19］通過(guò)試驗(yàn)研究了接頭尺寸和端徑比對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)失效模式的影響，結(jié)果表明，當(dāng)寬徑比小于3時(shí)，結(jié)構(gòu)的失效模式主要為拉伸破壞，當(dāng)寬徑比大于等于3、端徑比大于等于2時(shí)，失效模式則變?yōu)槔炱茐呐c擠壓破壞的組合。此外，LIU等^［20］提出了一種新型的3D漸進(jìn)損傷模型，成功預(yù)測(cè)了不同溫度下碳纖維復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的極限失效位移和失效模式。唐旭輝等^［21］基于Hashin失效準(zhǔn)則建立了碳纖維復(fù)合材料單釘螺栓連接結(jié)構(gòu)的三維有限元失效預(yù)測(cè)模型，研究了摩擦因數(shù)、螺栓-孔間隙以及螺栓預(yù)緊力對(duì)連接結(jié)構(gòu)失效模式的影響。

現(xiàn)有研究表明，對(duì)復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)損傷與失效模式的研究主要集中在單種纖維復(fù)合材料方面，對(duì)性能優(yōu)異的碳-?；祀s復(fù)合材料的研究較少。本文基于Hashin失效準(zhǔn)則、Chang-Chang失效準(zhǔn)則^［22］以及ZHOU等^［23］的損傷退化模型，結(jié)合拉伸試驗(yàn)，研究碳-玻混雜復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的失效模式和動(dòng)態(tài)漸進(jìn)損傷過(guò)程。

1 損傷理論

1.1 失效準(zhǔn)則

混雜復(fù)合材料的失效形式分為基體失效和纖維失效兩種。其中，基體失效包括基體拉伸失效與基體壓縮失效，纖維失效包括纖維拉伸失效和纖維壓縮失效。然而，混雜復(fù)合材料的失效形式并不單一，往往以多種失效并存的形式呈現(xiàn)。本文采用三維Hashin失效準(zhǔn)則判斷纖維失效，采用三維Chang-Chang失效準(zhǔn)則判斷基體失效，4種失效形式如下^［22］。

（1）纖維拉伸失效（σ₁₁≥ 0）表達(dá)式為

（2）纖維壓縮失效（σ₁₁<0）表達(dá)式為

（3）基體拉伸失效（σ₂₂+σ₃₃ ≥ 0）表達(dá)式為

（4）基體壓縮失效（σ₂₂+σ₃₃ < 0）表達(dá)式為

式中，r_ft、 r_fc、 r_mt、 r_mc分別為4種失效形式的失效因子；σ₁₁、 σ₂₂、 σ₃₃分別為單層板三個(gè)方向的正應(yīng)力；τ_12、τ₁₃、 τ₂₃分別為單層板三個(gè)方向的切應(yīng)力；S_12、S₁₃、 S₂₃分別為單層板的縱向剪切強(qiáng)度以及兩個(gè)橫向剪切強(qiáng)度；X_t、 X_c、 Y_t、 Y_c分別為單層板的縱向拉伸強(qiáng)度、縱向壓縮強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度和橫向壓縮強(qiáng)度。

1.2 損傷退化模型

當(dāng)連接結(jié)構(gòu)承受較大載荷時(shí)，混雜復(fù)合材料層合板的剛度會(huì)因其材料內(nèi)部的損傷而不斷降低，此處引入損傷變量d_i（i=ft，fc，mt，mc）來(lái)描述混雜復(fù)合材料剛度退化情況，其中d_ft、d_fc、d_mt、d_mc分別為纖維以及基體的拉伸和壓縮損傷變量。

單層混雜復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為^［23］

式中，C_d為損傷后的剛度矩陣；G_mt、G_mc分別為基體拉伸與基體壓縮的剪切模量；E₁₁、 E₂₂、 E₃₃分別為單層復(fù)合材料板三個(gè)方向的彈性模量；G⁰₁₂、 G⁰₂₃、 G⁰₃₁分別為三個(gè)方向的剪切模量；ν₁₂、ν₂₁、 ν₁₃、 ν₃₁、ν₂₃、 ν₃₂為泊松比，滿足關(guān)系式

當(dāng)失效因子r_j大于1時(shí)，混雜復(fù)合材料即開始發(fā)生相應(yīng)失效，材料的剛度矩陣隨之折減。隨著材料損傷的不斷擴(kuò)展，當(dāng)損傷變量達(dá)到1時(shí)，材料便完全失效。損傷變量與失效因子的關(guān)系為

本文根據(jù)損傷失效準(zhǔn)則和退化模型，采用Fortran語(yǔ)言編寫Vumat失效子程序，使用ABAQUS軟件的Explicit求解器調(diào)用子程序中的三維Hashin和三維Chang-Chang失效判據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)的單元損傷進(jìn)行判定，并更新?lián)p傷變量d_i以及剛度矩陣C_d，直至結(jié)構(gòu)完全失效。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試樣結(jié)構(gòu)

為了研究碳-?；祀s復(fù)合材料單釘單剪螺栓連接結(jié)構(gòu)的損傷和失效模式，本文設(shè)計(jì)了三種不同寬徑比（W/D）、端徑比（E/D）的連接件，參照ASTM D5961/D5961M—05標(biāo)準(zhǔn)選取合適的參數(shù)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。結(jié)構(gòu)中層合板的鋪層順序?yàn)镚-C-C-G-G-C-C-G-G-C-C-G-G-C-C-G，對(duì)應(yīng)的鋪層角度為［90/45/-45/0/0/-45/45/90］s（s表示鋪層角度對(duì)稱分布）。兩塊層合板使用A級(jí)六角頭螺栓和Ⅰ型六角螺母緊固，螺栓直徑為6 mm，螺栓與孔之間采用無(wú)間隙裝配，根據(jù)文獻(xiàn)［24］，螺栓預(yù)緊應(yīng)力設(shè)為其屈服強(qiáng)度的20%，以達(dá)到最佳緊固效果。為避免加載過(guò)程中夾持端局部破壞，在試件夾持區(qū)域粘貼與層合板材料相同的加強(qiáng)片。

2.2 試樣材料

試樣材料為碳-玻層間混雜復(fù)合材料，其層合板由山東鼎盛復(fù)合材料科技股份有限公司制造。層合板由T300碳纖維單向預(yù)浸料和EW200玻纖單向預(yù)浸料經(jīng)熱壓灌成形工藝制成。預(yù)浸料的基體均為環(huán)氧樹脂，其體積分?jǐn)?shù)為42.4%。每層碳纖維的厚度為0.2 mm，每層玻璃纖維的厚度為0.19 mm，碳纖維在整個(gè)層合板的混雜比為51.28%，其力學(xué)性能參數(shù)如表2所示^［25-26］。連接結(jié)構(gòu)的螺栓和墊片均為鋼制材料，其彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269，屈服強(qiáng)度為240 MPa^［27］。

2.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在MTS Landmark液壓拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)參考GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，在室溫條件下，采用位移控制方式加載，加載速率為 0.5 mm/min，拉伸試驗(yàn)裝置如圖2所示。采用Hirox RH-2000三維視頻顯微鏡觀察試樣失效后的微觀形貌。

3 有限元模擬

3.1 有限元建模

本文基于ABQAUS軟件建立碳-?；祀s復(fù)合材料單釘單剪螺栓連接結(jié)構(gòu)有限元模型，模型的材料參數(shù)、層合板的鋪層順序和鋪層角度均與試驗(yàn)試樣一致。為了使計(jì)算結(jié)果更為精確，采用三維實(shí)體單元C3D8R劃分網(wǎng)格，并對(duì)接頭處的局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。在螺栓與層合板以及層合板與層合板之間分別定義面與面接觸對(duì)，摩擦因數(shù)取為0.15^［28-30］。在連接結(jié)構(gòu)一端設(shè)置固支約束，在另一端施加位移載荷，有限元模型如圖3所示。

為了探討不同寬徑比、端徑比下連接結(jié)構(gòu)損傷及失效模式，共建立36種不同寬徑比和端徑比的有限元模型。這些模型以同一端徑比為一組，共分為 6組，依據(jù)模型W/D及E/D的比值確定各個(gè)模型的編號(hào)，如1.5E1.5W是指端徑比為1.5、寬徑比為1.5的連接結(jié)構(gòu)有限元模型，具體的模型結(jié)構(gòu)尺寸見表3。

3.2 模型驗(yàn)證

圖4所示為表1中三種試樣的試驗(yàn)和數(shù)值模擬載荷位移曲線對(duì)比。由圖4可以看出，試驗(yàn)與數(shù)值模擬的位移載荷曲線基本一致，吻合度較好，試樣載荷達(dá)到最大時(shí)的位移值也基本一致。數(shù)值模擬的載荷值略大于試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，這是因?yàn)楫?dāng)混雜復(fù)合材料發(fā)生了大量損傷后，樣件制備帶來(lái)的初始缺陷使結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程出現(xiàn)一定不確定性，比如裂紋發(fā)生的初始位置和數(shù)量等細(xì)觀損傷情況都會(huì)因樣件的不同而有所差異，而數(shù)值模擬是基于理想狀態(tài)，其模擬的損傷過(guò)程會(huì)按照損傷模型既定的演化規(guī)則進(jìn)行剛度退化，并未考慮材料的內(nèi)部缺陷及其他不確定的因素，造成試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果偏小^［31-32］。表4所示為數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)得失效載荷結(jié)果的對(duì)比，可以看出，三個(gè)數(shù)值模型及試驗(yàn)的失效載荷誤差均在10%以內(nèi)。

圖5所示為三個(gè)試樣數(shù)值模擬與試驗(yàn)的微觀破壞形貌對(duì)比。圖5a中試樣1在螺栓孔邊發(fā)生嚴(yán)重的擠壓變形，引起纖維局部斷裂，其失效模式呈現(xiàn)單一的擠壓破壞。圖5b中的試樣2在螺栓孔邊發(fā)生擠壓破壞，在層合板端部發(fā)生剪切破壞，其失效模式呈現(xiàn)兩種破壞模式并存的情況。圖5c中試樣3沿螺栓孔邊橫向發(fā)生了拉伸斷裂，破壞模式呈現(xiàn)單一的拉伸破壞。由圖5可以看出，數(shù)值模擬的纖維損傷位置以及試樣斷裂位置與試驗(yàn)觀測(cè)的位置基本一致。

上述宏觀位移載荷曲線結(jié)果、失效模式和微觀損傷位置的對(duì)比結(jié)果表明，該數(shù)值模型可以有效模擬碳-玻混雜復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的失效模式和損傷狀況。

4 結(jié)果與討論

4.1 端徑比與寬徑比對(duì)結(jié)構(gòu)失效載荷的影響

圖6為6組不同結(jié)構(gòu)尺寸的碳-玻混雜復(fù)合材料單釘單剪螺栓連接結(jié)構(gòu)位移載荷曲線。可以看出，各載荷位移曲線的整體變化趨勢(shì)相似，隨位移的增加載荷逐漸增大，當(dāng)達(dá)到極限失效載荷時(shí)曲線出現(xiàn)驟降。連接結(jié)構(gòu)的失效過(guò)程經(jīng)歷了初始線性階段、損傷擴(kuò)展階段以及結(jié)構(gòu)失效階段^［33］。在初始線性階段，碳纖維、玻璃纖維以及基體均在彈性范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷；隨載荷的增大，由于纖維材料的各向異性以及碳纖維、玻璃纖維、基體強(qiáng)度上的差異，使層合板在強(qiáng)度較弱的位置率先出現(xiàn)損傷，此時(shí)載荷位移曲線便進(jìn)入損傷擴(kuò)展階段，呈現(xiàn)非線性特征；當(dāng)施加的載荷達(dá)到結(jié)構(gòu)所能承受的極限時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)損傷的累積，結(jié)構(gòu)中大量纖維及基體發(fā)生斷裂而引起載荷驟降，直至結(jié)構(gòu)完全失效。

圖7所示為各連接結(jié)構(gòu)失效載荷分布?？梢钥闯?，對(duì)于碳-?；祀s復(fù)合材料單釘單剪螺栓連接結(jié)構(gòu)，E/D一定時(shí)，當(dāng)W/D<3時(shí)，結(jié)構(gòu)的失效載荷隨著W/D的增大逐漸增大，當(dāng)W/D≥3時(shí)，W/D的增大對(duì)結(jié)構(gòu)失效載荷的影響不大。

一定時(shí)，當(dāng)E/D<3時(shí)，結(jié)構(gòu)的失效載荷隨E/D的增大而增大；當(dāng)E/D≥3時(shí)，結(jié)構(gòu)的失效載荷隨E/D的增大先增大后減小。當(dāng)E/D =5，W/D=6 時(shí)，結(jié)構(gòu)的失效載荷達(dá)到最大。

4.2 端徑比與寬徑比對(duì)結(jié)構(gòu)失效模式的影響

圖8所示為6組不同結(jié)構(gòu)尺寸的碳-玻混雜復(fù)合材料單釘單剪螺栓連接結(jié)構(gòu)的最終失效模式?？梢钥闯觯?dāng)W/D<3時(shí)，連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)螺栓孔上下拉伸斷裂的失效模式；當(dāng)W/D≥3且E/D<3時(shí)，連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)剪切與擠壓的混合失效模式；當(dāng)W/D≥3且E/D≥3時(shí)，連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)螺栓孔邊的擠壓失效模式。各連接結(jié)構(gòu)的最終失效形式如圖9～圖14所示。

結(jié)合圖7和圖8可以看出，結(jié)構(gòu)尺寸的改變影響結(jié)構(gòu)的失效模式，結(jié)構(gòu)的失效載荷也隨之發(fā)生變化^［34］。當(dāng)W/D<3時(shí)，連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)拉伸斷裂失效模式，結(jié)構(gòu)的失效載荷隨W/D的增大而增大，這是因?yàn)槔鞌嗔训氖лd荷正比例于結(jié)構(gòu)的有效拉伸面積，該面積隨W/D的增大而增大。當(dāng)W/D≥3時(shí)，連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)擠壓失效模式，結(jié)構(gòu)的失效載荷隨W/D的變化較小，這是因?yàn)閿D壓失效模式的失效載荷受螺栓與螺栓孔內(nèi)壁接觸面積的影響較大，而W/D的變化不影響其接觸面積。當(dāng)E/D<3時(shí)，連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)剪切-

擠壓失效模式，因結(jié)構(gòu)的失效載荷隨端部剪切面面積的增大而增大，所以結(jié)構(gòu)的失效載荷隨E/D的增大而增大?？梢?，擠壓失效模式下連接結(jié)構(gòu)承載能力明顯高于拉伸失效和剪切-擠壓失效模式下的承載能力。

4.3 不同失效模式下連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷分析

為了分析三種不同失效模式的失效過(guò)程，本文選取編號(hào)為4E6W、1.5E6W和2E2W的三種不同尺寸的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，分析結(jié)果如圖15～圖17所示，圖中SDV1、SDV2、SDV3及SDV4分別表示層合板發(fā)生纖維拉伸損傷、纖維壓縮損傷、基體拉伸損傷與基體壓縮損傷這4種失效形式；G90、C45、C-45、G0分別代表90°玻璃纖維鋪層、45°碳纖維鋪層、-45°碳纖維鋪層及0°玻璃纖維鋪層。

圖15所示為4E6W連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷過(guò)程。可以看出，在損傷初始階段，90°玻璃纖維鋪層的受壓孔邊軸線位置最先發(fā)生基體壓縮損傷，隨后該處的45°碳纖維鋪層及-45°碳纖維鋪層依次產(chǎn)生基體壓縮損傷，最后該處的0°玻璃纖維鋪層發(fā)生纖維壓縮損傷。與純碳纖維復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的環(huán)向擴(kuò)展方式^［35-36］不同的是，在層合板螺栓孔壁與螺栓之間的擠壓作用下，自孔邊軸線位置沿螺栓孔徑向呈扇形狀向外擴(kuò)展，直至層合板完全失效，結(jié)構(gòu)最終發(fā)生擠壓破壞，屬于擠壓失效模式?？梢?，碳-?；祀s復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的擠壓失效過(guò)程是由混雜復(fù)合材料局部基體擠壓失效至結(jié)構(gòu)整體失效的損傷漸進(jìn)累積擴(kuò)展的過(guò)程。

圖16所示為1.5E6W連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷過(guò)程?？梢钥闯?，在損傷初始階段，結(jié)構(gòu)最先在90°玻璃纖維鋪層的螺栓孔受壓邊發(fā)生基體壓縮損傷，隨后±45°碳纖維鋪層的基體也發(fā)生壓縮損傷。在損傷擴(kuò)展階段，層合板螺栓孔受壓邊主要承受擠壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力的作用，隨著載荷的增加，層合板受壓孔邊的基體和纖維拉伸損傷沿軸向向外延伸，同時(shí)伴隨著螺栓孔周圍的擠壓損傷。隨損傷的累積，層合板內(nèi)大量纖維發(fā)生拉伸斷裂，基體發(fā)生拉伸損傷，并由螺栓孔擴(kuò)展至斷面，形成螺栓孔至端面的豁口，整個(gè)連接結(jié)構(gòu)斷裂失效，呈現(xiàn)剪切與擠壓組合失效模式。可見，碳-?；祀s復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的剪切-擠壓失效過(guò)程是由層合板孔邊纖維和基體拉伸損傷逐漸擴(kuò)展至層合板端面的累積過(guò)程。

圖17所示為2E2W連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷擴(kuò)展過(guò)程，可以看出，在損初始階段，連接結(jié)構(gòu)最先在90°玻璃纖維鋪層孔邊上下位置發(fā)生基體拉伸損傷，隨后-45°碳纖維鋪層、45°碳纖維鋪層接連發(fā)生基體拉伸損傷，最后0°玻璃纖維鋪層產(chǎn)生纖基體伸損傷。在損傷擴(kuò)展階段，隨軸向載荷的增加，層合板的損傷由孔邊橫向位置逐漸向上下兩邊緣擴(kuò)展。隨著損傷的累積，大量纖維和基體被拉斷致使連接結(jié)構(gòu)最終發(fā)生拉伸斷裂失效，屬于拉伸失效模式。可見，碳-?；祀s復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的拉伸失效過(guò)程是層合板螺栓孔邊上下位置處纖維和基體拉伸損傷逐漸擴(kuò)展至層合板上下邊緣的過(guò)程。

分析結(jié)果表明，碳-?；祀s復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)中90°玻璃纖維鋪層的基體均最先出現(xiàn)損傷，這是由于玻璃纖維的橫向彈性模量較小，在滿足層合板厚度方向變形協(xié)調(diào)條件下，增加了其基體內(nèi)的受力，使基體最先損傷。

5 結(jié)論

（1）碳-玻混雜復(fù)合材料單釘單剪螺栓連接結(jié)構(gòu)在拉伸載荷作用下呈現(xiàn)擠壓失效、剪切-擠壓混合失效、拉伸失效三種模式。

（2）連接結(jié)構(gòu)的尺寸影響了其失效載荷。端徑比E/D一定，當(dāng)寬徑比W/D＜3時(shí)，結(jié)構(gòu)的失效載荷隨W/D的增大而增大；當(dāng)W/D≥3時(shí)，W/D的變化對(duì)結(jié)構(gòu)失效載荷的影響較小。W/D一定，當(dāng)E/D<3時(shí)，結(jié)構(gòu)的失效載荷隨E/D的增大而增大；當(dāng)E/D≥3時(shí)，結(jié)構(gòu)的失效載荷隨E/D先增大后減小。

（3）連接結(jié)構(gòu)的尺寸影響了其失效模式。當(dāng)W/D<3時(shí)，連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)拉伸斷裂失效模式；當(dāng)W/D≥3且E/D<3時(shí)，連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)剪切與擠壓的混合失效模式；當(dāng)W/D≥3且E/D≥3時(shí)，連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)螺栓孔邊的擠壓失效模式。

（4）連接結(jié)構(gòu)的擠壓失效模式是層合板在螺栓孔擠壓邊軸線位置發(fā)生基體擠壓損傷，并沿軸線方向呈扇形向外擴(kuò)展至結(jié)構(gòu)失效；剪切-擠壓失效模式是層合板在螺栓孔至端面處發(fā)生大量纖維和基體的拉伸損傷，伴隨螺栓孔受壓邊基體擠壓損傷，形成豁口至結(jié)構(gòu)失效；拉伸失效模式是層合板在螺栓孔上下位置發(fā)生纖維和基體拉伸損傷，并沿橫向擴(kuò)展至層合板上下邊緣至結(jié)構(gòu)失效。

參考文獻(xiàn)：

［1］姜立業(yè)， 李娜， 陳鵬， 等. 碳纖維復(fù)合材料在輕量化的應(yīng)用和前景［J］. 塑料工業(yè)， 2022， 50（1）：14-19.

JIANG Liye， LI Na， CHEN Peng， et al. Application and Prospect of Carbon Fiber Composite in Lightweight［J］. China Plastics Industry，? 2022， 50 （1）：14-19.

［2］肖守訥， 江蘭馨， 蔣維， 等. 復(fù)合材料在軌道交通車輛中的應(yīng)用與展望［J］. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)， 2021， 21（1）：154-176.

XIAO Shouna， JIANG Lanxin， JIANG Wei， et al. Application and Prospect of Composites in Rail Transit Vehicles［J］. Journal of Traffic and Transportation Engineering， 2021， 21 （1）：154-176.

［3］DANILOV A I. Some Aspects of CFRP Steel Structures Reinforcement in Civil Engineering［J］. Procedia Engineering， 2016， 153：124-130.

［4］PRIYANKA P， DIXIT P A， MALI H S. High-strength Hybrid Textile Composites with Carbon， Kevlar， and E-glass Fibers for Impact-resistant Structures a Review［J］. Mechanics of Composite Materials， 2017， 53（5）：685-704.

［5］WANG Z Y， ZHANG N， WANG Q Y. Tensile Behavior of Open-hole and Bolted Steel Plates Reinforced by CFRP Strips［J］. Composites Part B：Engineering， 2016， 100：101-113.

［6］曹躍杰， 魏凌峰， 張銘豪， 等. 薄層復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)漸進(jìn)失效機(jī)制試驗(yàn)研究［J］. 航空學(xué)報(bào)， 2021， 42（12）：422-667.

CAO Yuejie， WEI Lingfeng， ZHANG Minghao， et al. Experimental Study on Progressive Failure Mechanism of Thin-laminate Bolted Joints Composite Structures［J］.? Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（12）：422-667.

［7］邢立峰， 曹安港， 畢鳳陽(yáng)，等. 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺栓連接性能試驗(yàn)研究［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2018， 40（3）：102-105.

XING Lifeng， CAO Angang， BI Fengyang， et al. Experimental Study on Bolted Connection Performance of Fiber Reinforced Composite［J］. Ship Science and Technology， 2018， 40（3）：102-105.

［8］趙麗濱， 劉豐睿， 黃偉， 等. 復(fù)合材料螺栓連接失效分析研究進(jìn)展［J］. 強(qiáng)度與環(huán)境， 2017， 44（3）：1-11.

ZHAO Libin， LIU Fengrui， HUANG Wei， et al. Advances in Failure Analysis Methods of Bolted Composite Joints［J］. Structure & Environment Engineering， 2017， 44（3）：1-11.

［9］孫濤， 周金宇， 臧杰. 復(fù)合材料螺栓連接失效分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2019（8）：168-171.

SUN Tao， ZHOU Jinyu， ZANG Jie. Failure Analysis of Composite Bolted Connections［J］. Machinery Design ＆ Manufacture， 2019（8）：168-171.

［10］ZHOU S， YANG C， TIAN K， et al. Progressive Failure Modeling of Double-lap of Composite Bolted Joints Based on Puck's Criterion［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2019， 206：233-249.

［11］劉方， 張桐歡， 鄭鑫超， 等. T700碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺栓連接的漸進(jìn)損傷分析［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2020， 20（15） ：5983-5989.

LIU Fang， ZHANG Tonghuan， ZHENG Xinchao， et al. Progressive Damage Analysis of Bolted Joints of T700 Carbon Fiber Reinforced Composite［J］. Science Technology and Engineering， 2020， 20（15）：5983-5989.

［12］余芬， 劉國(guó)峰， 何振鵬， 等. 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沉頭螺栓搭接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及漸進(jìn)損傷分析［J］. 復(fù)合材料科學(xué)與工程， 2021（11）：12-20.

YU Fen， LIU Guofeng， HE Zhenpeng， et al. Analysis of Structural Strength and Progressive Damage of Countersunk Bolt Lap Joint with CFRP［J］. Composite Materials Science and Engineering， 2021（11）：12-20.

［13］孫穎， 臧旭， 喬靜， 等. 復(fù)合材料層合板沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)失效機(jī)制［J］. 飛機(jī)設(shè)計(jì)， 2021， 41（4）：74-80.

SUN Ying， ZANG Xu， QIAO Jing， et al. Failure Mechanism of Composite Laminate Countersunk Bolt Connection Structure［J］. Aircraft Design， 2021， 41（4）：74-80.

［14］黃昱翔， 黃向陽(yáng)， 宋春生， 等. CFRP螺栓連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷研究和強(qiáng)度分析［J］. 復(fù)合材料科學(xué)與工程， 2020（3）：44-52.

HUANG Yuxiang， HUANG Xiangyang， SONG Chunsheng， et al. Progressive Damage Study and Strength Analysis of CFRP Bolted Structures［J］. Composite Materials Science and Engineering， 2020（3）：44-52.

［15］李沛城， 常楠， 趙美英， 等. 一種非線性模型下的復(fù)合材料螺栓連接失效分析［J］. 航空工程進(jìn)展， 2019， 10（2）：171-178.

LI Peicheng， CHANG Nan， ZHAO Meiying， et al. Failure Analysis of Composite Bolted Connections under a Nonlinear Model［J］. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2019， 10（2）：171-178.

［16］馬毓， 李飛， 趙啟林， 等. 復(fù)合材料構(gòu)件機(jī)械連接接頭破壞模式與機(jī)理［J］. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2010， 11（6）：658-663.

MA Yu， LI Fei， ZHAO Qilin， et al. Failure Mode and Fracture Mechanism of FRP Constructional Element Mechanical Connection Joint［J］. Journal of PLA University of Science and Technology（Natural Science Edition）， 2010， 11（6）：658-663.

［17］何柏靈， 葛東云， 莫與明， 等. T800碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料雙剪單釘連接的拉伸試驗(yàn)及強(qiáng)度估算［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2016， 33（7）：1540-1552.

HE Boling， GE Dongyun， MO Yuming， et al. Tensile Test and Strength Estimation of Double Shear Single Nail Connection of T800 Carbon Fiber Reinforced Composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2016， 33（7）：1540-1552.

［18］何柏靈， 葛東云. 復(fù)合材料連續(xù)損傷力學(xué)模型在螺栓接頭漸進(jìn)失效預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2020， 37（8）：2065-2075.

HE Boling， GE Dongyun. Application of Continuum Damage Mechanics Model for Composites in Progressive Failure Prediction of Bolted Joints［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2020， 37（8）：2065-2075.

［19］初明越， 陽(yáng)玉球， 趙德方， 等. 接頭尺寸對(duì)玻璃纖維/熱塑性樹脂復(fù)合材料機(jī)械連接性能的影響［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2019， 36（6）：1353-1363.

CHU Mingyue， YANG Yuqiu， ZHAO Defang， et al. Effect of Joint Dimension on the Mechanically Fastened Joint Properties of Glass Giber/Thermoplastic Resin Composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2019， 36（6）：1353-1363.

［20］LIU W， HE Z， YU F， et al. A Progressive Damage Model Introducing Temperature Field for Bolted Composite Joint with Preload［J］. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering， 2019， 27（6）：065011.

［21］唐旭輝， 張順琦， 應(yīng)申舜， 等. 復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的失效行為［J］. 上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2019， 25（4）：502-515.

TANG Xuhui， ZHANG Shunqi， YING Shenshun， et al. Failure Behavior for Composite Bolted Joints［J］. Journal of Shanghai University：Natural Science Edition， 2019， 25（4）：502-515.

［22］沈觀林， 胡更開. 復(fù)合材料力學(xué)［M］. 北京：清華大學(xué)出版社， 2006.

SHEN Guanlin， HU Gengkai. Mechanics of Composite Materials［M］. Beijing：Tsinghua University Press， 2006.

［23］ZHOU S， LI Y， FU K， et al. Progressive Fatigue Damage Modeling of Fibre-reinforced Composite Based on Fatigue Master Curves［J］. Thin-walled Structures， 2021，158：107173.

［24］陳昆昆， 劉龍權(quán)， 汪海. 過(guò)盈配合和預(yù)緊力的混合作用對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的影響及其機(jī)制［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2013， 30（6）：243-251.

CHEN Kunkun， LIU Longquan， WANG Hai. The Influence and Mechanism of the Mixed Action of Interference Fit and Preload on the Mechanical Connection Structure of Composite Materials［J］. Journal of Composite Materials， 2013， 30（6）：243-251.

［25］王耀先. 復(fù)合材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］. 上海：華東理工大學(xué)出版社， 2012.

WANG Yaoxian. Composite Mechanics and Structural Design［M］. Shanghai：East China University of Science and Technology Press， 2012.

［26］謝鳴九. 復(fù)合材料連接［M］. 上海：上海交通大學(xué)出版社， 2011.

XIE Mingjiu. Composite Material Connection［M］. Shanghai：Shanghai Jiaotong University Press， 2011.

［27］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 六角頭螺栓：GB/T 5782—2016［S］. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2016.

China National Standardization Administration. Hexagon Head Bolt：GB/T 5782—2016［S］. Beijing：China Standards Press， 2016.

［28］OLMEDO A， SANTIUSTE C. On the Prediction of Bolted Single-lap Composite Joints［J］. Composite Structures， 2012， 94（6）：2110-2117.

［29］張新異， 孔海娟， 胡之峰， 等. 墊片尺寸對(duì)碳纖維復(fù)合材料螺栓連接單搭接擠壓強(qiáng)度影響研究［J］. 復(fù)合材料科學(xué)與工程， 2020（5）：53-62.

ZHANG Xinyi， KONG Haijuan， HU Zhifeng， et al. Study on the Influence of Gasket Size on the Single-lap Extrusion Strength of Carbon Fiber Composite Bolted Connections［J］. Composite Science and Engineering， 2020（5）：53-62.

［30］王強(qiáng)， 賈普榮， 張龍， 等. 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沉頭螺栓連接失效分析［J］. 航空材料學(xué)報(bào)， 2020， 40（6）：59-70.

WANG Qiang， JIA Purong， ZHANG Long， et al. Failure Analysis of Carbon Fiber Reinforced Composite Countersunk Bolt Connection［J］. Journal of Aerospace Materials， 2020， 40（6）：59-70.

［31］梁震濤， 孫明琦， 張宏建. 碳纖維復(fù)合材料單釘連接拉伸性能仿真分析和試驗(yàn)研究［J］. 電子機(jī)械工程， 2012， 28（1）：17-20.

LIANG Zhentao， SUN Mingqi， ZHANG Hongjian. Simulation and Test Study on Tension Properties of Carbon Fiber Reinforced Plastic with Single Bolt Joint［J］. Electro-mechanical Engineering， 2012， 28（1）：17-20.

［32］唐玉玲. 碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)度及主要影響因素分析［D］. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2015.

TANG Yuling. Analysis of Failure Strength and Main Influencing Factors of Carbon Fiber Composite Connection Structure［D］. Harbin：Harbin Institute of Technology， 2015.

［33］余海燕，李佳旭，周辰曉. 碳纖維復(fù)合材料與高強(qiáng)度鋼板螺栓連接拉伸性能［J］. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2018， 46（5）：680-686.

YU Haiyan， LI Jiaxu， ZHOU Chenxiao. Tensile Properties of Bolted Joints between CFRP and High Strength Steel Plate［J］. Journal of Tongji University（Natural Science Edition）， 2018， 46（5）：680-686.

［34］唐玉玲， 陳浩， 周振功， 等. C/C編織復(fù)合材料雙剪連接結(jié)構(gòu)的擠壓強(qiáng)度［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2020， 56（18）：51-60.

TANG Yuling， CHEN Hao， ZHOU Zhengong， et al. Bearing Strength of Carbon / Carbon Braided Composites Double Shear Joint［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2020， 56（18）：51-60.

［35］馮加印， 郭連水， 趙昕， 等. 層合板螺栓連接的漸進(jìn)失效分析［J］. 成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化， 2013， 30（4）：56-60.

FENG Jiayin， GUO Lianshui， ZHAO Xin， et al. Progressive Failure Analysis of Bolted Connections of Laminated Plates［J］. Group Technology and Production Modernization， 2013， 30（4）：56-60.

［36］高佳佳， 楚瓏晟， 馬天陽(yáng)， 等. 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與失效分析［J］.航空制造技術(shù)， 2020， 63（11）：94-101.

GAO Jiajia， CHU Longsheng， MA Tianyang， et al. Strength and Failure Analysis of Fiber Reinforced Resin Matrix Composite Connection Structure［J］. Aerospace Manufacturing Technology， 2020， 63（11）：94-101.

（編輯 袁興玲）