拧紧力矩对胶螺混合连接力学性能与损伤形式的影响

沈金屹; 胡卫鑫; 张天宇; 胡俊山; 廖文和; 田威; 沈烨

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

拧紧力矩对胶螺混合连接力学性能与损伤形式的影响

·疲劳·损伤·断裂·失效分析· | 更新时间：2025-07-10

- 拧紧力矩对胶螺混合连接力学性能与损伤形式的影响
- Effect of tightening torque on the mechanical performance and damage form of hybrid bonded/bolted joints
- 机械强度 2025年47卷第7期页码：24-32
- 作者机构：
  
  1.南京航空航天大学机电学院，南京 210016
  2.中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089
  3.南京理工大学机械工程学院，南京 210094
  4.上海航天电子技术研究所，上海 201109
- 作者简介：
  
  沈金屹，男，1998年生，江苏南通人，硕士研究生；主要研究方向为智能装配工艺；E-mail：sjy-nuaa@nuaa.edu.cn。
  胡俊山，男，1988年生，湖北宜昌人，博士，副教授；主要研究方向为飞行器先进装配技术、飞行器金属/复合材料结构修复技术、智能装配/修复工艺与装备；E-mail：hujunshan@nuaa.edu.cn。
- 基金信息：
  
  安徽省重点研发计划项目(202203a05020039);中国博士后科学基金项目(2022M720939);江苏省自然科学基金项目(BK20231444);国家自然科学基金项目(52005259)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.003
  中图分类号： TB332
- 收稿日期：2023-10-24，
  
  修回日期：2024-01-09，
  
  纸质出版日期：2025-07-15
- 稿件说明：
移动端阅览
沈金屹，胡卫鑫，张天宇，等. 拧紧力矩对胶螺混合连接力学性能与损伤形式的影响［J］.机械强度，2025，47（7）：24-32.

SHEN Jinyi，HU Weixin，ZHANG Tianyu，et al. Effect of tightening torque on the mechanical performance and damage form of hybrid bonded/bolted joints［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（7）：24-32.
沈金屹，胡卫鑫，张天宇，等. 拧紧力矩对胶螺混合连接力学性能与损伤形式的影响［J］.机械强度，2025，47（7）：24-32. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.003.

SHEN Jinyi，HU Weixin，ZHANG Tianyu，et al. Effect of tightening torque on the mechanical performance and damage form of hybrid bonded/bolted joints［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（7）：24-32. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.003.

摘要

为研究编织型复合材料胶螺混合连接接头的力学性能，构建基于三维渐进损伤模型和内聚力模型的胶螺混合连接接头力学失效模型，模拟连接接头的力学行为与损伤演化。基于Abaqus有限元软件，建立编织型复合材料胶螺混合连接有限元仿真模型，通过三维Linde准则判断复合材料的损伤萌生与扩展，采用内聚力模型模拟胶层的损伤失效过程，在试验验证模型准确性的基础上，分析不同拧紧力矩下连接结构强度和损伤失效过程。试验结果与仿真模拟结果表明，随着拧紧力矩的增加，胶层损伤扩展得到有效抑制，而胶螺混合连接结构的胶层剪切强度先增加后减小。这是因为增大拧紧力矩可以减小连接结构中胶层的剥离应力，但过大的拧紧力矩会增大胶层孔周应力，导致胶层剪切强度减小，降低了连接结构的强度。数值模拟的载荷-位移曲线与试验结果吻合，所预测的胶层断裂载荷与试验结果相当；同时层合板上的纤维损伤、基体损伤以及分层损伤在数值模型中也能很好地体现，与连接件试验后的损伤形式相近，验证了损伤预测模型的有效性。

Abstract

To investigate the mechanical properties of woven composite hybrid bonded/bolted joints

a mechanical failure model for hybrid bonded/bolted joints based on 3D progressive damage model and cohesive force model was developed to simulate the mechanical behavior and damage evolution of the joints.Based on the Abaqus finite element software

a finite element simulation model for hybrid bonded/bolted joints woven composites was established. The damage initiation and propagation of the composite material were judged using the three-dimensional Linde criterion. The cohesive force model was used to simulate the damage failure process of the adhesive layer. On the basis of test verification of the model accuracy

the strength and damage failure process of the joints were analyzed under different tightening torques. The test and simulation results indicate that as the tightening torque increases

the extension of adhesive layer damage can be effectively suppressed. However

the shear strength of the adhesive layer in the hybrid bonded/bolted joints firstly increases and then decreases

because increasing the tightening torque can reduce the peeling stress of the adhesive layer in the joints. However

the excessive tightening torque will strengthen the stress around the adhesive layer hole

leading to a decrease in the shear srength of the adhesive layer and a decrease in the strength of the connection structure. The load-displacement curve of the numerical simulation is consistent with the test results

and the predicted adhesive layer fracture load is equivalent to the test results. At the same time

the fiber damage

matrix damage

and delamination damage on the laminated plate can also be well reflected in the numerical model

which is similar to the damage form after the connection test

verifying the effectiveness of the damage prediction model.

关键词

Keywords

references

CHAE H C ， KUMAR S . Making strong fibers ［J］. Science ， 2008 ， 319 （ 5865 ）： 908 .

谢鸣九 . 复合材料连接技术［M］. 上海：上海交通大学出版社， 2016 ： 160 - 161 .

XIE Mingjiu . Joints for composites materials ［M］. Shanghai ： Shanghai Jiao Tong University Press ， 2016 ： 160 - 161 . （In Chinese）

LOPEZ-CRUZ P ， LALIBERTÉ J ， LESSARD L . Investigation of bolted/bonded composite joint behaviour using design of experiments ［J］. Composite Structures ， 2017 ， 170 ： 192 - 201 .

STEWART M . An experimental investigation of composite bonded and/or bolted repairs using single lap joint designs ［C］// 38th Structures，Structural Dynamics and Materials Conference . Reston ： American Institute of Aeronautics and Astronautics ， 1997 ： 1339 .

王瑞峰 . 复合材料胶铆混合连接与胶接修理的力学性能对比研究［D］. 天津：中国民航大学， 2017 ： 5 - 7 .

WANG Ruifeng . A comparative study of mechanical property of bonded repair and adhesive-rivet hybrid repair of composite laminate ［D］. Tianjin ： Civil Aviation University of China ， 2017 ： 5 - 7 . （In Chinese）

KELLY G . Quasi-static strength and fatigue life of hybrid （bonded/bolted） composite single-lap joints ［J］. Composite Structures ， 2006 ， 72 （ 1 ）： 119 - 129 .

QIAN H ， SUN C T . Performance of a composite double strap joint with attachments ［C］// ASTM Special Technical Publication . Joining and Repair of Composite Structures ， 2004 （ 1455 ）： 55 - 66 .

CHOWDHURY N ， WING K C ， WANG J . A review of damage tolerant design，certification and repair in metals compared to composite materials ［J］. Advanced Materials Research ， 2014 ， 891/892 ： 1597 - 1602 .

MATSUZAKI R ， SHIBATA M ， TODOROKI A . Improving performance of GFRP/aluminum single lap joints using bolted/co-cured hybrid method ［J］. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing ， 2008 ， 39 （ 2 ）： 154 - 163 .

KUMAR B ， SUN C T ， WANG P H ， et al . Adding additional load paths in a bonded/bolted hybrid joint ［J］. Journal of Aircraft ， 2010 ， 47 （ 5 ）： 1593 - 1598 .

王衔，陈涛，张天骏 . 碳纤维复合材料板与钢板胶-螺混合双搭接接头拉伸性能试验研究［J］. 工业建筑， 2014 ， 44 （ 10 ）： 10 - 15 .

WANG Xian ， CHEN Tao ， ZHANG Tianjun . Experimental study on tensile behaviors of hybrid CFRP-stee double-lap joints using bolts and adhesive ［J］. Industrial Construction ， 2014 ， 44 （ 10 ）： 10 - 15 . （In Chinese）

邹鹏，倪迎鸽，毕雪，等 . 胶螺混合连接在复合材料结构中的研究进展［J］. 航空工程进展， 2021 ， 12 （ 1 ）： 1 - 12 .

ZOU Peng ， NI Yingge ， BI Xue ， et al . Research development on bonded-bolted hybrid joint in composite structure ［J］. Advances in Aeronautical Science and Engineering ， 2021 ， 12 （ 1 ）： 1 - 12 . （In Chinese）

李成，朱红红，铁瑛，等 . 单搭胶/螺栓混合连接结构的应力分布与载荷分配［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2013 ， 43 （ 4 ）： 933 - 938 .

LI Cheng ， ZHU Honghong ， TIE Ying ， et al . Stress distribution and load sharing in single-lap bonded/bolted joints ［J］. Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition）， 2013 ， 43 （ 4 ）： 933 - 938 . （In Chinese）

杨本宁 . 复合材料胶-螺混合连接强度分析与损伤研究［D］. 郑州：郑州大学， 2019 ： 6 - 7 .

YANG Benning . Strength analysis and progressive damage research for the bonded-bolted hybrid composite joints ［D］. Zhengzhou ： Zhengzhou University ， 2019 ： 6 - 7 . （In Chinese）

刘礼平，段科好，徐卓，等 . 碳纤维增强树脂基复合材料层合板胶螺混合连接失效机制［J］. 复合材料学报， 2023 ， 40 （ 1 ）： 590 - 600 .

LIU Liping ， DUAN Kehao ， XU Zhuo ， et al . Failure mechanism of carbon fiber reinforced polymer bonded-bolted hybrid connection ［J］. Acta Materiae Compositae Sinica ， 2023 ， 40 （ 1 ）： 590 - 600 . （In Chinese）

GAMDANI F ， BOUKHILI R ， VADEAN A . Fatigue behavior of hybrid multi-bolted-bonded single-lap joints in woven composite plates ［J］. International Journal of Fatigue ， 2022 ， 158 ： 106738 .

KIM J H ， LOPEZ CRUZ P ， HEIDARI-RARANI M ， et al . An experimental study on the mechanical behaviour of bonded and hybrid bonded-bolted composite joints using digital image correlation（DIC） technique ［J］. Composite Structures ， 2021 ， 276 ： 114544 .

KELLY G . Load transfer in hybrid （bonded/bolted） composite single-lap joints ［J］. Composite Structures ， 2005 ， 69 （ 1 ）： 35 - 43 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

碳纤维复合材料铆接接头力学性能与失效机制研究

重型工程车轮径向接触压力分布模型的构建与研究

弧齿锥齿轮弯曲强度ISO计算标准与有限元分析

含沟槽缺陷高钢级弯管的极限承载能力研究

热力作用下铝合金结构应力及强度研究