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与传统的单向复合材料相比，平纹编织复合材料因其均衡的面内性能、更高的抗冲击性、更好的尺寸稳定性和易于制造等优点，在飞机结构中更受青睐。在实际应用中，由于飞机结构之间不可避免地存在连接结构,平纹编织复合材料接头十分常见。一般来说，螺栓连接（Bolted joint）、粘接连接（Bonded joint）和混合连接（Hybrid joint）是复合材料结构最常用的三种连接方法。螺栓连接的主要特点是装配效率高、可靠性好，但连接效率低。而粘接连接通常具有更好的连接性能，但对环境影响和表面处理比较敏感。几十年来，通过对螺栓连接和粘接连接进行混合，以确保故障安全特性，并提供潜在的连接强度改进，混合连接方式在飞机结构中的应用越来越多。因此，平纹编织复合材料混合接头的力学性能对飞机结构的设计和安全非常重要。目前针对温度对复合材料连接性能的影响的研究较为单一，通常只研究了粘接件或者螺栓连接件的一种，并且温度范围集中于常温至200℃范围内。针对涵盖多种连接形式、多种温度的系统性研究较少，混合接头的温度-机械耦合机理尚不明确，亟需开展进一步研究，以填补这一研究课题的空白。《Engineering Failure Analysis》期刊发表了一篇由北京航空航天大学交通科学与工程学院与杭州市北京航空航天大学国际创新研究院白江波副教授团队完成的有关平纹编织复合材料混合连接接头在不同温度下的热力耦合行为的研究成果。该研究分析了粘接、螺栓连接和混合连接平纹编织复合材料接头的热机械耦合行为和失效机理。研究采用了热压罐工艺制备了基本力学性能实验件及连接件搭接板，根据对应的ASTM标准分别制备了粘接件、螺栓连接件以及混合连接件。随后，分别在-50 ℃、-20 ℃、+23 ℃、+70 ℃和+120 ℃下对这三种类型的接头进行了准静态拉伸试验以及对应的基本力学性能实验。根据实验结果，分析和讨论了混合接头在温度冲击下的失效机理和混合连接杂化效应。论文标题为“Experimental Investigations on Thermo-mechanical Behavior and Failure Mechanisms of Hybrid Bonded-bolted Plain-woven Composite Joint”（Engineering Failure Analysis, 2025；168: 109090）![]()
根据ASTM D5868和D5961及工程结构需要，设计了3种连接件的几何构型和尺寸。为促使孔边发生挤压失效，取BTJ（螺栓连接）和HDJ（混合连接）中复合材料搭接板的板宽与孔径之比为6，端距与孔径之比为3，取螺栓直径为6 mm，钉孔间隙约0.1mm。为了避免试验件加载偏心以及试验件在夹持区域破坏，在夹持区域粘贴加强片，加强片的材料与厚度均与搭接板相同。
图1 连接件尺寸构型及实验件制备
研究发现粘接件的破坏模式随着温度的升高而逐渐发生变化，从-50℃下的搭接板剥离损伤到120℃下的胶层内聚损伤，分析实验件断口推测纤维剥离损伤的路径为：搭接板加载端的出现初始的分层损伤，随着载荷的增加沿着载荷方向进一步扩展，当两个搭接板的分层损伤在搭接中心区域相遇后，出现惯穿厚度方向的裂纹，进而引起了搭接板的最终破坏，剥离损伤区域出现不同于单向带的波浪形断口，推测主要是与平纹编织布经纬线耦合作用有关。图2 不同温度下的粘接件破坏模式及不同破坏模式的裂纹扩展路径
所有的螺栓连接的破坏模式均表现为搭接板的净拉伸破坏，不同温度下螺孔壁出现不同程度的螺栓挤压损伤，-50℃、23℃以及120℃下的孔壁在二次弯曲作用下的面外变形程度分别为3°、5°和30°，推测与高温下搭接板的面外树脂软化有关。同时研究发现同一温度下的孔壁出现明显的非均匀螺纹挤压损伤，与螺纹的非均匀接触有关。图3 不同温度下的螺栓连接件破坏模式及断口损伤情况
另外，混合连接件的胶层破坏模式主要是界面损伤以及内聚损伤，推测胶层的破坏模式转变与螺栓螺纹尖端挤压作用以及螺栓的面外约束有关。此外，混合连接件的最终破坏模式依旧是单个搭接板的净拉伸破坏，胶层的引入并没有改变螺栓的传载机理以及最终破坏模式。图4 不同温度下混合连接件的破坏模式及裂纹扩展机理
研究从实验数据方向重点分析了同时采用螺栓和胶粘剂连接对连接刚度、连接强度、失效位移、能量吸收性能以及初始损伤位移和载荷的影响。![]()
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a) 连接强度 | b) 连接刚度 |
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c) 失效位移 | d) 能量吸收 |
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e) 初始损伤载荷 | f) 初始损伤位移 |
图5 不同连接形式的连接性能随温度变化趋势
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a) -50 ℃连接性能 | b) -20 ℃连接性能 |
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c) 23 ℃连接性能 | d) 70 ℃连接性能 |
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e) 120 ℃连接性能 | f) 混杂效应的影响因素 |
图6 不同温度下的连接性能包络线
研究提出了一种量化胶层与螺栓共同作用的性能参数：混杂效应因子![]()
，通过以下公式分别计算了不同温度、不同连接性能的混杂效应因子，进而评估不同温度下的混合连接程度。![]()
Table 4 混杂效应因子
参数 | -50°C | -20°C | 23°C | 70°C | 120°C |
AS | -0.085 | -0.092 | -0.096 | -0.132 | -0.198 |
AK | -0.075 | -0.083 | -0.077 | -0.115 | -0.046 |
AD | -0.297 | -0.243 | -0.154 | -0.033 | 0.011 |
AE | -0.028 | -0.020 | -0.015 | -0.016 | -0.022 |
该文章通过热压罐制备了螺栓连接、粘接以及混合连接的平纹编织复合材料连接件，并通过实验评估了不同温度下混合连接的连接性能，揭示了混合连接热力耦合行为及失效机理，为工程运用提供了参考，具有重要的研究意义和应用价值。作者简介：
白江波，北京航空航天大学交通科学与工程学院飞行器适航工程系副教授/博士生导师，北航景德镇研究院航空复合材料技术团队负责人。长期从事先进复合材料结构设计、制备及测试评价等工作，如：大变形柔性复合材料结构、复合材料宏细观多尺度静/疲劳强度预测、复合材料工艺力学、集成光纤光栅复合材料结构健康监测、新概念变构型结构与系统、复合材料结构适航，航空发动机复材叶片设计与评价等工作。主持国家自然科学基金（面上项目2项和青年基金1项）、国家重点研发计划子课题、国防基础科研、民机预研、军品配套、航空航天院所等纵/横向课题60余项；以第1或通讯（学生第1）作者在在Progress In Aerospace Sciences（主编约稿）、Composite Structures、International Journal of Solids and Structures、Composites Part B: Engineering、Acta Astronautica等业内公认的国际期刊已发表Q1区SCI论文40余篇，ESI高被引论文2篇，申请国家发明专利40余项（授权28项）；出版学术专著1本（科学出版社），人民邮电出版社1个章节；担任Alexandria Engineering Journal（SCI Q1区）、Journal of Advanced Manufacturing Science and Technology期刊Associate Editor，Polymers（SCI Q1区）期刊Guest Editor，复合材料学报青年编委，中国力学学会MTS材料试验专业委员会委员，国家自然科学基金函评专家；北京航空航天大学青年拔尖人才支持计划。部分研究成果已应用于航空航天领域的重大工程型号。ai, J.-B., Xu, H., Zhu, Y.-T., Tian, S.-Y., & Cao, P.-C. (2024). Experimental investigations on thermo-mechanical behavior and failure mechanisms of hybrid bonded-bolted plain-woven composite joint. Engineering Failure Analysis, 168, 109090. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2024.109090☟ 文献求助可添加QQ群：640676531，540731372投稿邮箱：mech_of_comps@yeah.net
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