新型复合材料螺栓孔加强方法：静态承载能力提升100%，疲劳寿命翻倍
新型复合材料螺栓孔加强方法：静态承载能力提升100%，疲劳寿命翻倍
复合材料螺栓连接作为结构件的重要连接方式，广泛应用于航空航天、汽车和船舶等领域。然而，它仍存在诸多挑战，如载荷传递效率不足和易于疲劳失效等问题。近日，丹麦奥尔堡大学的研究团队在新型复合材料螺栓连接加固方法方面取得重要突破，研究成果发表在Top期刊《Composites Part B》上。
研究背景
复合材料螺栓连接作为结构件的重要连接方式，广泛应用于航空航天、汽车和船舶等领域。然而，它仍存在诸多挑战，如载荷传递效率不足和易于疲劳失效等问题。目前，虽然有多种方法可改善复合材料螺栓连接的性能，如多螺栓接头、混合接头以及使用z-pins和staples的接头，但它们多数仅关注静态加载情况，且在实际应用中存在效果不一和成本较高等问题。因此，开发一种既经济高效又能同时提升静态和动态载荷性能的新型加固方法，成为当前研究的迫切需求。
近日，Top期刊《Composites Part B》发表了丹麦奥尔堡大学的研究团队在新型复合材料螺栓连接加固方法方面的研究，通过系统的实验和数值分析验证了其有效性。论文标题为“Bolted joint method for composite materials using a novel fiber/metal patch as hole reinforcement——Improving both static and fatigue properties”。
研究内容及方法
该研究设计并验证了一种由金属环、纤维束和套筒组成的加强片，旨在提高复合材料螺栓连接的静态和疲劳性能。实验结果显示，该加强片能显著提升接头的载荷传递能力和疲劳寿命，为复合材料结构的连接设计提供了一种经济高效的解决方案。
所提出的加固思想是将孔上方的一些压应力重新分布到孔下方的拉应力。
图1.承载纤维环通过纤维缠结或交叉重新分配载荷
该加强片由纤维套管和纤维环构成形成平坦的圆环形状，可以通过环形纤维元件重新分配负载。
图 2.
加强片单元可以在层压板铺层过程中快速装配，还可以堆叠以用于更厚的层压板。
图 3.
图 4. 上图是金属环的草图，下图是微观侧视图
加强片的制造分以下几个步骤进行：
(A) 加强片由三个元件组成：一个特殊形状的金属环、一束纤维制成的纤维环以及编织套管。
(B)金属环放置在两个垫圈之间的螺栓上。
(C) 将编织套筒套到螺栓上，金属环位于套筒长度的大约一半位置。
(D) 将纤维束缠绕在套筒上，并定位在金属环凹槽的顶部。
(E) 从螺栓上拆下包含金属环、套管和缠绕纤维束的组件。然后拆解弯折套筒，使得该单元形成加强片形状。
(F) 然后将加强片放置在层压板铺层中的所需位置。可以提前在层压板堆叠中预制孔，以帮助定位补片并进一步最小化层压板厚度过渡。
图5.加强片的制作过程
研究团队提出了设计新型加强片的理论依据和设计原则。这些原则主要考虑了复合材料的各向异性、层间应力分布以及接头在静态和动态载荷下的失效模式。制备了多组带加强片和不带加强片的复合材料接头样品。这些样品在制备过程中严格控制了工艺参数，以确保其质量和一致性。研究人员对这些样品进行了准静态拉伸测试和疲劳加载测试。在测试过程中，详细记录了接头的失效模式、最大载荷、载荷-位移曲线以及疲劳寿命等数据。这些数据为后续的分析和模型验证提供了重要依据。
图 6.实验装置
图7.平均净张力应力和挤压应力
图8.两种不同负载情况下接头设计
为了更深入地理解加强片对复合材料接头性能的影响机制，该研究团队利用有限元分析软件建立了复合材料接头的数值分析模型。在建模过程中，充分考虑了复合材料的各向异性、层间应力和加强片的几何与材料特性。通过对比模拟结果和实验结果，验证了模型的准确性和可靠性。此外，基于该数值分析模型研究了不同设计参数（如加强片的尺寸、材料和布置方式等）对接头性能的影响。这些研究为进一步优化加强片的设计提供了有力支持。
图9. 有限元模型图解，包含层压板剖视图以及加强片的详细视图
图10 新型加固设计与传统设计的孔边应力分布
表1替代复合材料连接技术及其性能指标
实验结果显示，与未加固的螺栓接头相比，使用新型加强片的接头静态载荷承载能力提高了100%。在最优样品宽度下，接头的载荷传递效率达到60%。此外，加强片的疲劳性能同样优于未加固样品，在特定条件下疲劳寿命提高了两倍。这些结果表明该加强片能显著提升复合材料螺栓连接的载荷传递能力和疲劳性能。
总结
该研究成功开发并验证了一种新型的复合材料螺栓连接加强片。该加强片设计独特、制备简便且经济高效，能显著提升接头的静态和动态载荷性能。这项成果对于推动复合材料在工程领域的更广泛应用具有重要意义，并为未来的研究提供了新的思路和方向。
原始文献：
Johnny Jakobsen, Benny Endelt, Fahimeh Shakibapour, Bolted joint method for composite materials using a novel fiber/metal patch as hole reinforcement—Improving both static and fatigue properties, Composites Part B: Engineering,Volume 269,2024,111105.
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.111105.
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135983682300608X
来源：复合材料力学 复小七