Shear stress distribution in the adhesive layer of composite hybrid bonded-bolted single-lap joint structure

ZHANG Sheng; ZHU Fuxian; HU Kejun; ZHANG Kunlong; ZHANG Zhen

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.013

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Shear stress distribution in the adhesive layer of composite hybrid bonded-bolted single-lap joint structure

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-07-17

- Shear stress distribution in the adhesive layer of composite hybrid bonded-bolted single-lap joint structure
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 7, Pages: 110-119(2026)
- 作者机构：
  
  1.江苏理工学院材料工程学院，常州 213001
  2.中国机械总院集团江苏分院有限公司，常州 213164
- 作者简介：
  
  ZHU Fuxian, E-mail: jxzfx@jsut.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52075232);Changzhou Key R&D Programme Funded Projects(CE20230039)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.013
  CLC： TB332
- Received：22 October 2024，
  
  Revised：2024-12-11，
  
  Online First：17 July 2026，
  
  Published：15 July 2026
- 稿件说明：
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张圣，朱福先，胡可军，等. 复合材料胶-螺混合单搭连接结构的胶层切应力分布［J］. 机械强度，2026，48（7）：110-119.

Zhang Sheng，Zhu Fuxian，Hu Kejun，et al. Shear stress distribution in the adhesive layer of composite hybrid bonded-bolted single-lap joint structure［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：110-119.
张圣，朱福先，胡可军，等. 复合材料胶-螺混合单搭连接结构的胶层切应力分布［J］. 机械强度，2026，48（7）：110-119. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.013.

Zhang Sheng，Zhu Fuxian，Hu Kejun，et al. Shear stress distribution in the adhesive layer of composite hybrid bonded-bolted single-lap joint structure［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：110-119. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.013.

摘要

目的

针对复合材料胶-螺混合单搭连接结构胶层失效问题，建立胶层切应力解析模型，为连接结构强度设计与失效防控提供参考。

方法

首先，基于胶接结构切应力计算公式与双弹簧模型，推导胶-螺混合连接结构胶层切应力解析公式，计算螺栓反作用力，提出胶层切应力计算方法；其次，参照ASTM D5961标准制备碳/玻混杂复合材料试样，开展拉伸试验，获取载荷-位移曲线；然后，采用Abaqus软件建立有限元模型，引入渐进损伤模型与内聚力模型，模拟结构失效过程；最后，对比理论计算、试验与仿真结果，验证模型准确性并分析胶层切应力分布规律。

结果

结果表明，胶-螺混合单搭连接结构承载分为胶层承载、胶层失效、纯螺栓承载3个阶段；胶层切应力呈两端高、中间低的U形分布；胶层失效从两端向中间逐步扩展；有限元仿真与试验最大失效载荷误差小于3.3%，解析模型计算结果与仿真结果吻合良好。

Abstract

Objective

Adhesive layer failure frequently occurs in composite bonded-bolted hybrid single-lap joint structures. An analytical model for shear stress in the adhesive layer was established to provide reference for strength design and failure prevention of joint structures.

Methods

Firstly

an analytical formula for shear stress in the adhesive layer of hybrid bonded-bolted joints was derived based on the shear stress calculation formula of adhesive structures and the double spring model

and bolt reaction forces were calculated to propose a calculation method for adhesive layer shear stress. Secondly

carbon/glass hybrid composite specimens were fabricated according to ASTM D5961 standard

and tensile tests were carried out to obtain load-displacement curves. Then

a finite element model was established by Abaqus software

and progressive damage model and cohesive zone model were introduced to simulate the structural failure process. Finally

theoretical calculation

test and simulation results were compared to verify the model accuracy and analyze the shear stress distribution law of the adhesive layer.

Results

The results show that the loading process of composite bonded-bolted hybrid single-lap joint structures can be divided into three stages: adhesive layer bearing stage

adhesive layer failure stage and pure bolt bearing stage. The shear stress distribution of the adhesive layer presents a U-shape with high values at both ends and low value in the middle. The adhesive layer failure expands gradually from both ends to the middle. The error of maximum failure load between finite element simulation and test is less than 3.3%

and the calculation results of the analytical model are in good agreement with the simulation results.

关键词

Keywords

references

粟海波，陈波潓，吴熙，等 . 纤维增强复合材料多模式内聚断裂的相场模型［J］. 工程设计学报， 2024 ， 31 （ 3 ）： 301 - 308 .

Su Haibo ， Chen Bohui ， Wu Xi ， et al . Phase-field model for multi-pattern cohesive fracture in fiber reinforced composite material ［J］. Chinese Journal of Engineering Design ， 2024 ， 31 （ 3 ）： 301 - 308 . （In Chinese）

Al-Furjan M S H ， Shan L ， Shen X ， et al . A review on fabrication techniques and tensile properties of glass，carbon，and Kevlar fiber reinforced rolymer composites ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2022 ， 19 ： 2930 - 2959 .

皮骏，崔红利，贾元琨 . 碳-芳纶纤维复合材料高速冲击响应数值模拟［J］. 机械强度， 2024 ， 46 （ 2 ）： 416 - 423 .

Pi Jun ， Cui Hongli ， Jia Yuankun . Numerical simulation of high-speed impact response of carbon aramid fiber composites ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2024 ， 46 （ 2 ）： 416 - 423 . （In Chinese）

李成良，杨超，倪爱清，等 . 复合材料在大型风电叶片上的应用与发展［J］. 复合材料学报， 2023 ， 40 （ 3 ）： 1274 - 1284 .

Li Chengliang ， Yang Chao ， Ni Aiqing ， et al . Application and development of composite materials in large-scale wind turbine blade ［J］. Acta Materiae Compositae Sinica ， 2023 ， 40 （ 3 ）： 1274 - 1284 . （In Chinese）

单奕萌，弥世青，周健，等 . 碳纤维复合材料铆接接头力学性能与失效机制研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1483 - 1492 .

Shan Yimeng ， Mi Shiqing ， Zhou Jian ， et al . Study on mechanical performance and failure mechanism of carbon fiber composite riveted joints ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1483 - 1492 . （In Chinese）

Kang Y G ， Kou S J ， Meng K J ， et al . Credal identification of damage patterns in ultra-thin-ply composite bonded/bolted interference-fit joints ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2024 ， 162 ： 108371 .

Feng J M ， Zhang J D ， Jin W J ， et al . Damage evolution modeling of CFRP/Al single-lap screw type blind riveted joints during realistic installation process ［J］. Composite Structures ， 2024 ， 337 ： 118023 .

程小全，汪源龙，张纪奎，等 . 平面编织复合材料胶螺混合连接接头拉伸性能分析［J］. 固体力学学报， 2011 ， 32 （ 4 ）： 346 - 352 .

Cheng Xiaoquan ， Wang Yuanlong ， Zhang Jikui ， et al . Tensile performance analysis of combined adhesive and bolted joints for plain woven composites ［J］. Acta Mechanica Solida Sinica ， 2011 ， 32 （ 4 ）： 346 - 352 . （In Chinese）

李桂洋，李健芳，张娅婷，等 . 国产MT700碳纤维复合材料螺栓连接强度实验研究［J］. 玻璃钢/复合材料， 2016 （ 10 ）： 75 - 79 .

Li Guiyang ， Li Jianfang ， Zhang Yating ， et al . An experimental study on bolted connection strength of MT700 carbon fiber composites ［J］. Fiber Reinforced Plastics/Composites ， 2016 （ 10 ）： 75 - 79 . （In Chinese）

刘峰，王卓煜，豆广征 . 胶接对碳纤维层合板与铝合金板单钉连接静强度的影响［J］. 复合材料科学与工程， 2022 （ 12 ）： 46 - 53 .

Liu Feng ， Wang Zhuoyu ， Dou Guangzheng . Bonding influence on static strength of single bolted joint of carbon laminates and aluminum alloy plate ［J］. Composites Science and Engineering ， 2022 （ 12 ）： 46 - 53 . （In Chinese）

杨晓，贺娜，肖鹏，等 . 拉伸载荷作用下玻璃纤维复合材料-铝合金双钉混合连接接头失效行为数值研究［J］. 复合材料科学与工程， 2025 （ 5 ）： 22 - 30 .

Yang Xiao ， He Na ， Xiao Peng ， et al . Numerical study of failure behavior of glass fiber composite material and aluminum alloy double-bolt hybrid joint under tensile loading ［J］. Composites Science and Engineering ， 2025 （ 5 ）： 22 - 30 . （In Chinese）

Her S C . Stress analysis of adhesively-bonded lap joints ［J］. Composite Structures ， 1999 ， 47 （ 1/2/3/4 ）： 673 - 678 .

Nguyen T H ， Le Grognec P . Analytical and numerical simplified modeling of a single-lap joint ［J］. International Journal of Adhesion & Adhesives ， 2021 ， 108 ： 102827 .

Marchione F . Stress distribution in double-lap adhesive joints：effect of adherend reinforcement layer ［J］. International Journal of Adhesion & Adhesives ， 2021 ， 105 ： 102780 .

Veisytabar M ， Reza A ， Shekari Y . Stress analysis of adhesively-bonded single stepped-lap joints with functionally graded adherends based on the four-parameter fractional viscoelastic model ［J］. European Journal of Mechanics-A/Solids ， 2023 ， 98 ： 104907 .

Paroissien E ， Lachaud F ， Schwartz S . Modelling load transfer in single-lap adhesively bonded and hybrid （bolted/bonded）joints ［J］. Progress in Aerospace Sciences ， 2022 ， 130 ： 100811 .

Xu P F ， Zhou Z G ， Liu T Z ， et al . A novel double-spring analytical model for hybrid GLARE joints：model development，validation，parameter study and global sensitivity analysis ［J］. International Journal of Mechanical Sciences ， 2020 ， 177 ： 105606 .

Olmedo A ， Santiuste C ， Barbero E . An analytical model for the secondary bending prediction in single-lap composite bolted-joints ［J］. Composite Structures ， 2014 ， 111 （ 1 ）： 354 - 361 .

Mccarthy M A ， Mccarthy C T ， PADHI G S . A simple method for determining the effects of bolt-hole clearance on load distribution in single-column multi-bolt composite joints ［J］. Composite Structures ， 2006 ， 73 （ 1 ）： 78 - 87 .

ASTM D5961/D5961M-17 Standard test method for bearing response of polymer matrix composite laminates ［S］.

Liu J H ， Xu Y X ， Yi X B ， et al . Experimental and numerical simulation study on Near-edge/On-edge Low-Velocity impact and residual compressive strength of T300/69 laminates ［J］. Composite Structures ， 2022 ， 280 ： 114887 .

Zheng Y X ， Hu K J ， Zhang M ， et al . Characterizing damage patterns and evolution in multi-hole GLARE laminates under tensile load via integrated AE and DIC techniques ［J］. Composite Structures ， 2024 ， 331 ： 117911 .

Xu P F ， Zhou Z G ， Liu T Z ， et al . Propagation of damage in bolt jointed and hybrid jointed GLARE structures subjected to the quasi-static loading ［J］. Composite Structures ， 2019 ， 218 ： 79 - 94 .

王强，贾普荣，张龙，等 . 碳纤维增强复合材料沉头螺栓连接失效分析［J］. 航空材料学报， 2020 ， 40 （ 6 ）： 59 - 70 .

Wang Qiang ， Jia Purong ， Zhang Long ， et al . Failure analysis of carbon fiber reinforced composite countersunk bolt joint ［J］. Journal of Aeronautical Materials ， 2020 ， 40 （ 6 ）： 59 - 70 . （In Chinese）

刘志明，许昶 . 碳纤维增强环氧树脂复合材料与铝板胶螺混合连接接头失效仿真［J］. 复合材料学报， 2019 ， 36 （ 10 ）： 2308 - 2315 .

Liu Zhiming ， Xu Chang . Failure simulation of carbon fiber reinforced epoxy resin composite-aluminum bonded-bolted hybrid joint ［J］. Acta Materiae Compositae Sinica ， 2019 ， 36 （ 10 ）： 2308 - 2315 . （In Chinese）

Hashin Z . Fatigue failure criteria for unidirectional fiber composites ［J］. Journal of Applied Mechanics ， 1981 ， 48 （ 4 ）： 846 - 852 .

Li X ， Li Y Z ， Li F ， et al . Failure analysis and experimental study on bolted composite joints based on continuum damage mechanics ［J］. Composite Structures ， 2023 ， 303 ： 116274 .

Hu C X ， Huang G B ， Li C . Experimental and numerical study of low-velocity impact and tensile after impact for CFRP laminates single-lap joints adhesively bonded structure ［J］. Materials ， 2021 ， 14 （ 4 ）： 1016 .

Benzeggagh M L ， Kenane M . Measurement of mixed-mode delamination fracture toughness of unidirectional glass/epoxy composites with mixed-mode bending apparatus ［J］. Composites Science and Technology ， 1996 ， 56 （ 4 ）： 439 - 449 .

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