复合材料螺栓连接结构疲劳问题研究进展.docxVIP

复合材料具有较高的比强度和比模量、可设计性强、抗疲劳冲击性好等性能，得以在航空航天等先进领域迅猛发展。

相关研究表明，有60%~80%的复合材料结构破坏发生在机械连接处，直接影响着飞行器的结构安全与使用寿命，是其在飞行器结构应用的薄弱环节。

螺栓连接以其可维护性强、承载能力高、可靠性高等特点，成为复合材料常用的连接形式之一。

复合材料螺栓连接结构在实际工作中容易因振动、冲击、交变载荷或工作时间长等因素发生松动或破坏，因此其疲劳特性也对结构安全产生重要影响，经统计，机械设备中因疲劳问题而失效的零件数量约占失效零件总数的70%，因此，螺栓连接的疲劳问题逐渐成为众多学者的研究热点问题。

近几十年来，国内外学者对复合材料螺栓连接结构的疲劳问题进行广泛的研究。在研究初期，疲劳问题研究工作主要集中于试验现象分析，近年来，通过数值的方法建立疲劳模型、预测疲劳寿命才成为一种主流手段，目前的研究主要集中在复合材料性能、连接板性能、紧固件性能、连接区的几何参数和载荷因素等对连接结构疲劳性能的影响。

Part01.

复合材料螺栓连接结构疲劳分析?

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机械连接形式?

复合材料机械连接结构的形式可分为多种类型：

(1)对接和搭接；

(2)单搭连接和双搭连接；

(3)变厚度和等厚度；

(4)单螺栓和多螺栓；

(5)凸头螺栓和沉头螺栓。

典型的复合材料凸头螺栓连接结构如图1所示。

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疲劳破坏分析

复合材料结构具有各向异性、脆性等特点，且为层压结构，这导致复合材料螺栓连接结构具有复杂的断裂行为和多种失效模式。

复合材料螺栓连接结构在疲劳载荷作用下的破坏形式与在静载荷作用时基本相同，如图2所示，主要有以下几种破坏形式以及它们的组合形式：挤压破坏、拉伸破坏、剪切破坏以及紧固件破坏等破坏形式，前三种破坏形式是属于复合材料构件的破坏范围，紧固件破坏主要分为紧固件剪切破坏、拉脱破坏和劈裂破坏，是指连接结构所受外载较大、材料强度不够或预紧力不足等原因导致的破坏形式。

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疲劳寿命预测模型

复合材料螺栓连接结构的组合形式包括复合材料板/复合材料螺栓、复合材料板/金属螺栓以及混合结构等，在研究复合材料层合板或复合材料紧固件的疲劳性能时一般采用的是复合材料疲劳模型，而金属材料的部分，通常采用相应的疲劳准则进行判定。另外，对于紧固件，由于螺纹几何形状和外部载荷环境比较复杂，属于多轴应力状态的复杂情况，因此如何准确地分析多轴疲劳问题也成为了螺栓疲劳寿命预测的难点之一。

到目前为止，学者们也建立了多种疲劳模型，包括疲劳寿命模型、剩余强度唯象模型和渐进疲劳损伤模型等。在数值模拟方面，渐进疲劳损伤模型的使用范围更广且适应性更强，在预测结构剩余力学性能和疲劳寿命以及分类定量地描述结构疲劳损伤这两方面是其余两类模型无法实现的，因此，渐进疲劳损伤模型得到了更广泛的、更深的研究和发展。

从单向板出发建立了T300/BMP-316（碳纤维/聚酰亚胺）复合材料层合板螺栓连接结构的疲劳寿命预测方法。对于多钉连接的结构，张峻瑞等提出了考虑紧固件分布和复合材料连接板铺层层数的ZT7H/QY9611（碳纤维/双马）复合材料与金属混合多钉连接结构的疲劳寿命预测模型，可以有效提高预测混合多钉连接结构疲劳寿命的精度。?

渐进疲劳损伤模型在评估连接结构疲劳特性的不确定性方面也有很大的发展前景，将渐进疲劳损伤模型与区间分析方法相结合，有效评估了碳纤维复合材料单螺栓双搭接连接结构疲劳性能的不确定性。

得力于有限元分析技术以及人工智能技术的不断发展，机器学习技术成为预测螺栓连接结构疲劳寿命的一种有效手段。张乐等将经典参数分析方法与机器学习技术相结合，设计了一套能分析高强度螺栓连接系统应力幅值并预测其疲劳寿命的窗口化分析工具。张天龙提出了一种基于视觉测振和CNN的螺栓松动检测方法，实现对螺栓连接松动故障的检测。

螺栓连接结构和人工智能技术相结合具有提高研发效率，缩短研发周期的优点，也将成为一种发展趋势。

Part02.

影响螺栓连接疲劳性能的因素

影响复合材料螺栓连接结构疲劳性能的因素多种多样，其破坏形式也更加复杂，因此在分析研究中需要全面考虑。国内外学者研究较为广泛的影响因素主要有以下几个方面：复合材料性能、紧固件性能、侧向约束、几何效应、疲劳载荷以及环境因素等。

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复合材料性能

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初始加工缺陷

要形成螺栓连接的复合材料结构，就要在复合材料上开孔，在加工中难免会产生初始损伤，工艺水平的不同将导致不同的初始损伤，而常用的钻孔工艺将不同程度地导致结构出现毛刺、局部分层损伤、孔表面质量差等加工缺陷。?

分层损伤是复合材料层合板结构中的主要缺陷形式之一，又可分为初始的分层损伤以及受载过程中由裂纹扩展产生的分层损伤，它的存在会造成结构的强度和刚度大幅降低。

采用圆形聚四氟乙烯薄膜插铺方法模拟分层损伤缺陷，