纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析

研究论文
RESEARCH
纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析*
高佳佳，楚珑晟，马天阳，高朋
（西南交通大学材料科学与工程学院，成都 610031）
[摘要]采用拉伸试验和有限元分析方法研究纤维增强树脂基复合材料螺栓连接与胶–螺混合连接结构的失效机理。

通过拉伸–剪切试验分析其载荷–位移曲线，结合有限元仿真结果及断面微观结构变化分析其结构强度和失效机理。

结果表明，螺栓连接结构孔周碳纤维丝束受到螺栓挤压力变形后传递给树脂基体。

因此，呈现纤维屈曲变形，树脂基体由均匀分布状被断裂的纤维短束挤压变成团簇状，形成结构不均匀而出现薄弱区域。

胶–螺混合连接结构呈现拉伸断裂式破坏，断口处碳纤维丝束在拉伸–剪切作用下从环氧树脂基体中拔出并损伤断裂，丝束方向杂乱排布。

附着在碳纤维丝束周围的树脂基体从均匀分布状变为团聚状，连接结构在达到极限载荷之后出现拉伸断裂，呈现净截面破坏，并且在重新分配载荷之后板材之间的胶粘剂对纤维的破坏会起延滞作用。

材料强度、螺栓强度、胶层强度及螺栓宽径比等因素均会成为影响连接结构失效破坏的因素。

关键词：复合材料；机械连接；胶–螺混合连接；结构强度；失效机理
Research on Strength and Failure Analysis of Fiber Reinforced Resin Matrix Composites
GAO Jiajia, CHU Longsheng, MA Tianyang, GAO Peng
( Scho ol of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China ) [ABSTRACT] E xperimental methods and finite element are used to study the failure mechanism of mechanical joints and adhesive-bolt hybrid joints. The load-displacement curve is analyzed by tensile-shear test, and the microstructure of the section is analyzed combining the stress distribution of the finite element simulation results. The results show that the perforated carbon fiber tow of the bolted joint structure is deformed by the bolt pressing force, which is passed to the resin matrix, so the fiber is subjected to buckle deformation, and the resin matrix is squeezed into a cluster by a short bundle of fibers that are uniformly distributed. Therefore the formed weak structure is due to uneven structure. Adhesive-bolt hybrid joints exhibits tensile fracture failure, the carbon fiber tow at the fracture is pulled out from the epoxy resin matrix under tensile-shearing and damages the fracture, and the direction of the tow is disorderly arranged. The resin matrix attached to the fiber changes to be agglomerated, and the joint structure fractures after reaching the ultimate load. And the adhesive between the sheets has a retarding effect on the destruction of the fibers after the redistribution of the load. Factors such as material strength, bolt strength, adhesive strength and bolt width to diameter ratio will be factors that affect the failure of the joint structure.
Keywords: Comp osite materials; Mechanical joints; Adhesive-bolt hybrid joints; Strength of structure; Failure mechanism DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2020.11.094
纤维增强树脂基复合材料（简称复合材料），具有比强度高、比刚度高、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳性能好、减振性好、成型工艺简单等优异性能[1]，被广泛应用在航空航天、轨道交通、车辆等领域[2–3]。

复合材料结构件的应用不可避免地出现连接结构，且结构件的失效破坏绝大部分发生在连接部位，连接结构处的失效破坏对整个结构的稳定性及耐久性具有重要意义。

因此，复合材料连接结构的失效过程分析及失效机理研究是复合材料应用中的焦点问题[4]。

目前，国内外学者对复合材料连接结构的失效分析多采用有限元分析以及试验研究的方法。

有限元分析主要通过材料属性退化，求解非线性平衡方程而实现[5]；
* 基金项目：国家重点研发计划（2016YFB1200602–14）。

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试验研究方法主要是通过力学手段及材料表征分析方法来研究失效机理[6]。

关于有限元渐进损伤的分析方法，崔浩等[7]、Pisano 等[8]基于Abaqus 软件，研究复合材料多钉连接接头的失效破坏模式，发现接头多呈剪切失效和净截面拉断失效破坏。

黄河源等[9]提出一种非线性面内连续损伤与三维混合失效模型，用于模拟复合材料厚板的沉头螺栓连接结构失效过程，并对比试验结果，发现复合材料连接结构的失效过程为纤维断裂、基体损伤、开孔挤压以及层合板分层等混合破坏模式。

针对连接结构中不同参数对于结构失效形式的影响，Gay 等[10]研究了铝合金与玻璃纤维增强复合材料自冲铆接质量的影响参数、失效形式以及应力演变，发现复合材料类型与加载温度对铆接质量具有显著影响，且较高载荷下复合材料厚板自冲铆接与静载形式下具有相似失效模式。

前人在试验研究复合材料连接结构失效形式上也做了大量的工作。

陈滨琦[11]通过拉伸试验研究了复合材料单钉单剪连接的失效机制，发现复合材料层合板的失效行为与螺栓变形存在互相作用机制，螺栓的局部屈服引起板材构型发生变化，层合板弯曲度增加挤压螺栓发生塑性变形，二者失效行为呈现复杂的耦合现象。

Khashaba 等[12]通过分析载荷–位移曲线及纤维与基体破坏层显微形貌，研究了钉孔间隙量对玻璃纤维复合材料铆钉连接接头的失效模式影响，发现适当的钉孔间隙尺寸可以吸收失效能量，延缓板材失效断裂。

基于载荷–位移曲线与断层形貌，Kelly 等[13]研究了横向载荷对复合材料层合板破坏模式的影响，发现复合材料层合板主要以层间剪切失效为主。

综上所述，有限元分析和试验分析方法已被广泛用于研究复合材料连接结构的失效过程。

而上述研究在
复合材料连接结构失效强度的试验方法中存在不足。

因此，针对复合材料的螺栓连接与胶–螺混合连接结构损伤失效，采用拉伸–剪切试验研究结构的失效破坏，观察微观结构下纤维与基体的变化过程，采取商用有限元软件Abaqus 建立试验模型进行仿真计算，分析不同复合材料连接结构破坏形式和失效强度，为复合材料的连接结构设计提供一种理论依据。

1 研究方法
1.1 试验材料与连接结构
试验采用国内某厂家提供的复合材料层合板，铺层信息为[0°/90°/±45°]s ，厚度为3.5mm 。

胶黏剂采用环氧树脂双重改性高温结构胶，A 、B 组分按照1∶3的比例配比制成，紧固件采用发黑高强度内六角杯头螺栓，试验样件采用数控机床加工而成，螺栓连接及胶–螺混合连接的试件尺寸分别如图1和2所示。

复合材料连接结构强度不仅受材料本身强度的影响，同样也会受结构尺寸效应、搭接形式、端径比（E /D ）、螺栓选择、预紧力以及干涉量等因素的影响。

研究不同程度的失效破坏，本文试验件的连接形式选用单搭接形式，端径比取3~5，设计螺栓连接端径比为3.75以增强其强度，并行间距尽可能大，以降低偏心加载引起的弯曲应力。

根据机械设计手册选取4%的干涉量。

胶–螺混合连接提高其安全裕度，螺栓连接主承力件为螺栓，抗剪能力弱，通过双搭接增大载荷传递能力。

试验制样按以下步骤进行：（1）连接前先将所有需要胶接处用锉刀打毛。

（2）螺栓连接结构如图1所示，考虑螺栓连接结构失效稳定性，故采用双钉排列。

将切割加工好的样件搭
图1 碳纤维复合材料螺栓连接强度测试试件几何尺寸（mm ）
Fig.1 Specimen geometry for strength test of composite materials with bolt joints
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接30mm ，螺栓孔间距离取10mm ，使用数显扭矩扳手施加少量预紧力固定螺栓。

（3）胶–螺混合连接结构如图2所示，因其结构性能较高，故采用单钉连接。

先将搭接部分采用胶黏剂粘接，同时固定螺栓，防止多余胶黏剂固化后影响钉孔配合，胶粘处用强力夹加压并置于烘箱中烘烤12h 。

（4）分别在两种连接结构的两端粘接相同复合材料加强片，尺寸为30mm ×30mm ，厚度为3.5mm ：一方面保证拉伸时试验件轴向加载；另一方面防止拉伸时试验件打滑。

黏接前采用丙酮清洗试样，放置于烘箱中烘烤24h ，黏接时用结构胶专用擦拭剂擦除表面污垢，双面涂抹胶黏剂，采用强力夹施压，放置于80℃烘箱中加热固化24h 。

1.2 拉伸–剪切试验
为了测试螺栓连接与胶–螺混合连接结构的强度，同时得到不同损伤程度的样件，本文设计了5组试验加载工况，每组工况测试4个试验件，如表1所示。

拉伸–剪切试验过程按照美国材料试验学会测试标准ASTM D6742执行[14–15]，采用CMT5105电子万能试验
表1 复合材料连接结构测试试样
Table 1 Joint strength test sample of joint technology of
composite materials 图3 试样件及试验机
Fig.3 Experimental samples and testing apparatus
（a ）螺栓连接（b ）胶–螺混合连接（c ）CMT5105电子万能试验机
图2 碳纤维复合材料胶–螺混合连接强度测试试件几何尺寸（mm ）
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机进行测试，试样件及试验机如图3所示。

在室温干燥条件下测试，温度变化<±3℃，湿度变化<±3%，加载速率为1mm/min ，设置最大拉伸力为1000kN ，最大位移为50mm ，拉伸至失效，获取载荷–位移曲线。

1.3 断口形貌观察
利用数控机床切割分离失效断面，并在砂纸上分级打磨机床切割面。

采用喷金设备对断口及断口侧面进行喷金，采用FEI Quanta FEG 250场发射扫描电子显微镜观察试件断面显微形貌，分析不同破坏情况的断面结构及破坏模式，以此从微观结构方面分析其破坏机理。

1.4 有限元模型
采用Abaqus 有限元分析软件建立螺栓连接试验模型。

模型按照图1和2所示的尺寸结构建模，工程材料参数设置为试验板材的属性，如表2和3所示。

接触面属性采用摩擦属性，采用一端固支另一端加载的方法；复合材料板材采用连续壳单元SC8R ，共划分为21440个单元；螺栓采用八节点六面体减缩积分单元C3D8R ，划分为21976个单元；网格划分模型如图4所示。

2 结果与讨论
2.1 破坏模式
通常，复合材料螺栓连接的基本失效破坏模式有拉伸破坏、挤压破坏、剪切破坏，或其组合模式如拉伸–剪
切、拉伸–挤压、挤压–剪切等[16]。

一般来讲，挤压破坏是发生在局部的破坏方式，不会引起构件崩溃式破
坏，相对来说是偏安全的破坏模式。

因此，在连接结构设计中，应尽可能使构件发生挤压破坏或与其有关的组合破坏模式，以保证结构件具有较高的安全性和稳定性[17–18]。

在拉伸–剪切试验中，复合材料螺栓连接破坏模式呈现挤压破坏、拉伸–挤压组合式破坏；胶–螺混合连接则呈现拉伸断裂式破坏[19]。

图5为复合材料连接结构的宏观断口图。

图5（a ）为复合材料螺栓连接试验件宏观破坏形貌，可以看出试件基本呈现挤压破坏，随着载荷增大，钉孔处破坏程度增加，拉伸至完全失效时，螺栓嵌入孔旁边复合材料内部。

去除螺栓，观察连接板外侧（板材非接触面）发现随着位移增大，板材螺栓孔首先呈现挤压弯曲变形现象，并且拉伸受力一侧有明显纤维屈曲及树脂基体挤压破坏。

图5（b ）为复合材料胶–螺混合连接试验件宏观破坏形貌，可以观察到螺栓拉伸剪切作用对于复合材料板的破坏非常严重，由于胶粘剂作用，板材接触面拉伸时表面层脱落，纤维抽出断裂，随着拉伸位移的增加，板材趋向于净截面失效，到拉伸至完全失效时断口处出现显著的胶层分层，纤维抽出断裂且呈丝状，树脂黏附于纤维之上。

表2 复合材料连接板材料属性
Table 2 Material properties of joint technology of
图4 复合材料连接结构有限元网格模型
Fig.4 FE mesh model of joints of composite materials
（a ）螺栓连接
（b ）胶–螺混合连接
High Strengh Bolt
CFRP Laminate
U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0
X
Y
High Strengh Bolt
Epoxy Resin Adhesive
U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0
Y Y 表3 单向碳纤维复合材料许用强度
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2.2 载荷–位移曲线
为分析复合材料连接结构在拉伸破坏过程中的强度变化，由试验所得的螺栓连接与胶–螺混合连接载荷–位移曲线如图6所示，其中LS–T X 为螺栓连接试样，JL–T X 为胶–螺混合连接试样（后文同）。

如图6（a ）所示，螺栓连接曲线可分为挤压阶段、破坏阶段、屈服阶段3个阶段。

挤压阶段是螺栓与复合材料相互作用阶段，螺栓孔处纤维与基体受挤压力，板材密度增加，局部提高孔周围的结构刚度，在挤压阶段的后期曲线斜率降低，螺栓连接的载荷接近极限载荷；随着破坏位移增大，纤维与基体产生受损变形，孔边纤维出现破坏，当载荷增大至17.9kN 时，连接结构达到强度极限，此时载荷急剧下降至7kN ，系统重新分配载荷，变形随破坏位移增加，复合材料孔周纤维出现更大破坏，孔呈现明显挤压破坏形貌；在多钉连接情况下，继续呈现屈服阶段，直至板材彻底断裂，试验机终止加载。

与螺栓连接曲线相比，如图6（b ）所示，胶–螺混合连接曲线也可分为挤压阶段、破坏阶段、屈服阶段3个阶段。

与螺栓连接结构破坏情况不同的是，挤压阶段的曲线呈线性状，由于螺栓与胶层的交互作用，结构最大失效载荷接近22kN ；破坏阶段载荷急剧降低至6kN ，板材在螺栓与胶黏剂交互作用下，整个系统加载载荷重新分配，而后失效载荷随位移增加时稍有增大；随后曲线出现锯齿延滞状，该现象是由于胶黏剂的阻滞作用，板材延滞位移段延伸至11mm ，直至纤维完全拉脱断裂，板材出现断裂破坏。

复合材料多相结构导致其损伤破坏过程受诸多因素影响。

综合比较图6（a ）和（b ）曲线，发现螺栓连接在拉伸–剪切试验中承力件主要为螺栓，因此螺栓的强
度极大地决定了复合材料连接结构的强度。

而胶–螺混合连接结构极限拉伸载荷较螺栓连接结构要高，因为胶–螺混合连接结构拉伸传力至螺栓与胶黏剂，共同承载结构变形力，且胶–螺混合连接在胶黏剂黏滞作用下
图6 复合材料连接结构载荷–位移曲线
Fig.6 Load-displacement of different joints for composite materials
（a ）螺栓连接（b ）胶–螺混合连接
图5 复合材料连接结构宏观端口形貌
Fig.5 Microscopic morphology of failure surface for different
joints specimen
（a ）螺栓连接
（b ）胶–
螺混合连接
98
76543
21
02468101214161820
L o a d /k N
Displacement/mm
ⅠⅡ
Ⅲ LS–T1 LS–T2
LS–T3 LS–T4 LS–T5
01234
56789101112
–2
024681012141618202224L o a d /k N
Displacement/mm
Ⅲ
Ⅰ JL–T1 JL–T2 JL–T3 JL–T4 JL–T5
Ⅱ
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LS–T1
具有更长的屈服阶段，从而起到延缓断裂、延长构件断裂预警时间的作用。

2.3 显微形貌观察
断口形貌观察主要分析裂纹源区裂纹的延伸及发展过程，进而从微细观视角揭示复合材料连接结构的失效过程及失效机理。

为了观察其微观形貌的变化，采用扫描电镜观察其纤维与基体的变化情况。

图7和8分别为按破坏程度排列的螺栓连接与胶–螺混合连接结构的典型断口微观形貌，从左至右依次为从轻微裂纹至完全失效断裂的断口微观形貌。

图7为放大3000x 的螺栓连接断口微观形貌，可以看出LS–T1在载荷小于极限载荷时，纤维基本完整并且与树脂结合良好。

LS–T2载荷达到极限值并且重新分配时，纤维切口处平整，有少量纤维出现挤压屈曲变形。

LS–T3处出现少量断裂区，纤维丝束上分布有树脂小颗粒。

随着加载位移增大，LS–T4纤维丝束受螺栓挤压力出现明显断裂，树脂基体团开始混乱分布于纤维束周围。

LS–T5中断裂的短束纤维与树脂团簇交错混杂分布，断口处纤维受压断裂，树脂基体受压由均匀分布变成团簇状，树脂基体的团簇引发裂纹的出现，进而结构不均匀并出现薄弱区域，裂纹聚集较多而出现板材溃败式断裂。

板材受拉伸载荷传递至螺栓，挤压孔周纤维及基体，纤维受力屈曲变形，牵拉基体发生损伤，螺栓强度对于构件失效强度及断裂形式具有主要承载作用。

图8为放大3000x 的胶–螺混合连接断口微观形
貌，可以看出在JL–T1与JL–T2中纤维完整，断面整齐，树脂基体均匀分布在纤维束周围，与纤维结合较为完好。

复合材料孔周纤维在受到拉伸作用传递螺栓挤压力时，纤维受压变形并将力传递给树脂基体，外力拉伸作用下发生脆性断裂。

因此，JL–T3中碳纤维丝束从环氧树脂基体中拔出并损伤断裂，丝束方向杂乱排布，附着在碳纤维丝束周围的树脂基体开始呈小团聚状分布。

板材拉伸至失效时断口呈完全断裂状，故JL–T4与JL–T5中纤维呈短小棒状，方向杂乱，树脂基体也呈团絮状分布于纤维短束周围。

复合材料孔周纤维在受到拉伸作用传递的螺栓挤压力时，纤维受压变形并将力传递给树脂基体，外力拉伸作用下发生脆性断裂。

在图6（b ）中，载荷–位移曲线破坏阶段为板材之间的胶黏剂对拉伸时纤维的破坏起延滞作用，因此螺栓与胶黏剂交互作用共同影响结构失效强度。

当纤维束发生整体断裂破坏从板材中抽离出来时，即发生整体破坏。

2.4 有限元计算与试验结果对比分析
由于上、下连接板材的损伤演化模式基本一致，本部分只做对称连接板、螺栓的损伤扩展过程分析。

结构件在单向应力状态下，其失效判据适用于最大应力强度准则。

最大应力理论强调，各材料主方向应力必须小于其对应方向的许用强度，否则即发生破坏。

图9为螺栓连接结构损伤演变云图与结构件破坏对比，图10为在拉伸载荷作用下复合材料螺栓连接与胶–螺连接结构
图7 复合材料螺栓连接结构断口微观形貌
Fig.7 Microtopography of failure surface for bolt joints of composite materials
图8 复合材料胶–螺混合连接结构断口微观形貌
Fig.8
Microtopography of failure surface for adhesive-bolt hybrid joints of composite materials
JL–T5
（a ）LS–T1
（a ）JL–T1
（b ）LS–T2
（b ）JL–T2
（c ）LS–T3
（c ）JL–T3
（d ）LS–T4
（d ）JL–T4
（e ）LS–T5
（e ）
JL–T5
LS–T5
LS–T4
LS–T3
LS–T2
JL–T4
JL–T3
JL–T2
JL–T1
50µm
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损伤演变云图对比。

从图9和10的螺栓及板材结构损伤演变云图，可以看出由于螺栓作用连接板材的损伤区域主要集中在钉孔附近，板材受拉伸载荷最大应力位于连接部位的边缘处，其值为708MPa ，集中载荷传递至螺栓，螺栓由于受到上下连接板材的横向剪切作用，在中部和上下底部受剪力区域出现明显应力集中。

碳纤维丝束受螺栓挤压力变形呈现纤维屈曲变形，板材孔周密度增加，局部提高孔周围的结构刚度，极限载荷后短束纤维与树脂团簇交错混杂分布，受压成团聚状的树脂基体堆积较多引发裂纹的出现，进而结构呈现不均匀并出现薄弱区域，螺栓强度对于结构件失效强度及断裂形式具有显著影响。

胶–螺混合连接板材最大应力为2890MPa ，螺栓应力集中处分布在钉杆中部受板材挤压周围，受胶层的阻
滞牵引力，胶层在受力方向呈现应力集中分布区。

结合
试验结果，胶–螺混合连接结构拉伸断裂式破坏，断口处碳纤维丝束呈现拉脱损伤断裂，连接结构在达到极限载荷之后出现拉伸净截面破坏，并且在重新分配载荷之后板材之间的胶黏剂对于纤维的破坏起延滞作用，延缓载荷–位移曲线断裂峰的出现。

3 结论
从多相微观结构的损伤破坏角度入手，通过试验及有限元分析方法研究连接结构失效强度，综合连接件的破坏曲线、断口宏观特征及微观特征，分析复合材料连接机构失效机理，以此为连接结构设计提供一种理论参考依据。

（1）螺栓连接结构受拉伸载荷出现孔周板材挤压破坏。

孔周碳纤维丝束受螺栓挤压力变形，并传递给树
图10 复合材料螺栓连接与胶–螺连接结构损伤演变云图
Fig.10 Progression of damage variables contour in bolt joints and adhesive-bolt hybrid joints of composite materials
（a ） 螺栓连接（螺栓）应力云图（a ）有限元计算（b ）试验结果
（b ） 螺栓连接（板材）应力云图
（c ） 胶–螺连接（螺栓）应力云图（d ） 胶–螺连接（板材）
应力云图
图9 复合材料螺栓连接结构损伤演变云图对比
Fig.9
Progression contradistinction of damage variables contour in bolt joints of composite materials
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脂基体，因此呈现纤维屈曲变形，同时引起板材密度增加，局部提高孔周围的结构刚度。

在载荷达到极限载荷时，树脂基体由均匀分布状被断裂的纤维短束挤压变成团簇状，板材螺栓孔周围应力集中，在系统重新分配载荷之后，短束纤维与树脂团簇交错混杂分布，受压成团聚状的树脂基体堆积较多引发裂纹的出现，进而结构呈现不均匀并出现薄弱区域。

螺栓强度对于结构件失效强度及断裂形式具有显著影响。

（2）胶–螺混合连接结构拉伸断裂式破坏。

断口处碳纤维丝束在拉伸–剪切作用下从环氧树脂基体中拉脱并损伤断裂，丝束方向杂乱，附着在碳纤维丝束周围的树脂基体从均匀分布状变为团聚状。

复合材料孔周纤维在受到拉伸作用传递的螺栓挤压力时，纤维受压变形并将力传递给树脂基体，外力拉伸作用下发生脆性断裂。

连接结构在达到极限载荷之后出现净截面拉伸破坏，并且在重新分配载荷之后板材之间的胶黏剂对于纤维的破坏起延滞作用，延缓载荷–位移曲线断裂峰的出现，曲线在黏滞阶段位移较长。

（3）研究复合材料连接结构的失效断裂模式。

发现复合材料连接结构受力使钉孔周围纤维拉脱拔出，基体受损直至构件溃损破坏。

而其中材料强度、螺栓强度、胶层强度及螺栓宽径比等因素，均会成为影响连接结构失效破坏的因素。

参 考 文 献
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通讯作者：楚珑晟，博士、副教授，研究方向为复合材料、功能材料与轨道交通关键材料，E–mail:****************.cn。

（责编　古京）。