复合材料具有较高的比强度和比模量、可设计性强、抗疲劳冲击性好等性能，得以在航空航天等先进领域迅猛发展。
相关研究表明，有60%~80%的复合材料结构破坏发生在机械连接处，直接影响着飞行器的结构安全与使用寿命，是其在飞行器结构应用的薄弱环节。
螺栓连接以其可维护性强、承载能力高、可靠性高等特点，成为复合材料常用的连接形式之一。
复合材料螺栓连接结构在实际工作中容易因振动、冲击、交变载荷或工作时间长等因素发生松动或破坏，因此其疲劳特性也对结构安全产生重要影响，经统计，机械设备中因疲劳问题而失效的零件数量约占失效零件总数的70%，因此，螺栓连接的疲劳问题逐渐成为众多学者的研究热点问题。
近几十年来，国内外学者对复合材料螺栓连接结构的疲劳问题进行广泛的研究。在研究初期，疲劳问题研究工作主要集中于试验现象分析，近年来，通过数值的方法建立疲劳模型、预测疲劳寿命才成为一种主流手段，目前的研究主要集中在复合材料性能、连接板性能、紧固件性能、连接区的几何参数和载荷因素等对连接结构疲劳性能的影响。
1.复合材料螺栓连接结构疲劳分析
1、机械连接形式
复合材料机械连接结构的形式可分为多种类型：
(1) 对接和搭接；
(2) 单搭连接和双搭连接；
(3) 变厚度和等厚度；
(4) 单螺栓和多螺栓；
(5) 凸头螺栓和沉头螺栓。
典型的复合材料凸头螺栓连接结构如图1所示。
2、疲劳破坏分析
复合材料结构具有各向异性、脆性等特点，且为层压结构，这导致复合材料螺栓连接结构具有复杂的断裂行为和多种失效模式。
复合材料螺栓连接结构在疲劳载荷作用下的破坏形式与在静载荷作用时基本相同，如图2所示，主要有以下几种破坏形式以及它们的组合形式：挤压破坏、拉伸破坏、剪切破坏以及紧固件破坏等破坏形式，前三种破坏形式是属于复合材料构件的破坏范围，紧固件破坏主要分为紧固件剪切破坏、拉脱破坏和劈裂破坏，是指连接结构所受外载较大、材料强度不够或预紧力不足等原因导致的破坏形式。
3、疲劳寿命预测模型
复合材料螺栓连接结构的组合形式包括复合材料板/复合材料螺栓、复合材料板/金属螺栓以及混合结构等，在研究复合材料层合板或复合材料紧固件的疲劳性能时一般采用的是复合材料疲劳模型，而金属材料的部分，通常采用相应的疲劳准则进行判定。另外，对于紧固件，由于螺纹几何形状和外部载荷环境比较复杂，属于多轴应力状态的复杂情况，因此如何准确地分析多轴疲劳问题也成为了螺栓疲劳寿命预测的难点之一。
到目前为止，学者们也建立了多种疲劳模型，包括疲劳寿命模型、剩余强度唯象模型和渐进疲劳损伤模型等。在数值模拟方面，渐进疲劳损伤模型的使用范围更广且适应性更强，在预测结构剩余力学性能和疲劳寿命以及分类定量地描述结构疲劳损伤这两方面是其余两类模型无法实现的，因此，渐进疲劳损伤模型得到了更广泛的、更深的研究和发展。
刘建明等从单向板出发建立了T300/BMP-316（碳纤维/聚酰亚胺）复合材料层合板螺栓连接结构的疲劳寿命预测方法。对于多钉连接的结构，张峻瑞等提出了考虑紧固件分布和复合材料连接板铺层层数的ZT7H/QY9611（碳纤维/双马）复合材料与金属混合多钉连接结构的疲劳寿命预测模型，可以有效提高预测混合多钉连接结构疲劳寿命的精度。
渐进疲劳损伤模型在评估连接结构疲劳特性的不确定性方面也有很大的发展前景，Shan等将渐进疲劳损伤模型与区间分析方法相结合，有效评估了碳纤维复合材料单螺栓双搭接连接结构疲劳性能的不确定性。
得力于有限元分析技术以及人工智能技术的不断发展，机器学习技术成为预测螺栓连接结构疲劳寿命的一种有效手段。张乐等将经典参数分析方法与机器学习技术相结合，设计了一套能分析高强度螺栓连接系统应力幅值并预测其疲劳寿命的窗口化分析工具。张天龙提出了一种基于视觉测振和CNN的螺栓松动检测方法，实现对螺栓连接松动故障的检测。
螺栓连接结构和人工智能技术相结合具有提高研发效率，缩短研发周期的优点，也将成为一种发展趋势。
2.影响螺栓连接疲劳性能的因素
影响复合材料螺栓连接结构疲劳性能的因素多种多样，其破坏形式也更加复杂，因此在分析研究中需要全面考虑。国内外学者研究较为广泛的影响因素主要有以下几个方面：复合材料性能、紧固件性能、侧向约束、几何效应、疲劳载荷以及环境因素等。
1、复合材料性能
初始加工缺陷
要形成螺栓连接的复合材料结构，就要在复合材料上开孔，在加工中难免会产生初始损伤，工艺水平的不同将导致不同的初始损伤，而常用的钻孔工艺将不同程度地导致结构出现毛刺、局部分层损伤、孔表面质量差等加工缺陷。
分层损伤是复合材料层合板结构中的主要缺陷形式之一，又可分为初始的分层损伤以及受载过程中由裂纹扩展产生的分层损伤，它的存在会造成结构的强度和刚度大幅降低。
李跃宇采用圆形聚四氟乙烯薄膜插铺方法模拟分层损伤缺陷，对含分层损伤的复合材料螺栓连接件进行了试验研究，结果表明分层损伤对疲劳强度有较大的影响，分层损伤直径越大，疲劳强度越低。
孔壁质量会对裂纹萌生和扩展产生重要影响，甚至影响结构的连接强度与疲劳寿命。Saleem等利用红外热成像技术研究了两种不同的钻井工艺对复合材料螺栓连接结构力学性能的影响，结果表明孔的加工表面质量是影响相应螺栓复合接头疲劳寿命的重要因素之一。
层合板类型
复合材料层合板的不同铺层角度、铺层比例、铺层顺序、铺层厚度等都会导致螺栓连接结构有不同的失效形式。考虑层合板的多种参数对连接疲劳强度的影响也是值得关注的点。
复合材料层合板有四种常用的铺层角：0°、±45°、90°。孟毛毛等对CCF300/BA9916-Ⅱ（碳纤维/环氧）复合材料螺栓连接结构进行研究，研究发现合理的±45°层比例可以显著提高连接结构的抗挤压和抗剪切能力，但增加±45°层 比例到50%以上后对连接强度影响不大。因此，为了保证连接结构在工程中有较高的连接强度和可靠性，通常对铺层比例的规定如下：1) 0°层：≥25%；2) ±45°层：≥40%；3) 90°层：≥10%。
铺层方式也是复合材料层合板的设计参数之一，对其疲劳性能有很大的影响。潘应雄等应用能量耗散方法分析了不同铺层方式和不同应力水平对能量耗散密度的影响，研究T300/QY8911（碳纤维/双马）复合材料层合板的疲劳性能和损伤行为。
学者们在疲劳试验中多选取相对薄的复合材料层合板，如刘辉等选取10层，每层厚度1.3 mm；王奔等选取8层，每层厚度2 mm。Wang等设计了不同配置的T700/7901（碳纤维/环氧）复合材料层合板以探讨其疲劳行为和损伤机理，结果表明薄板可显著抑制分层和基体开裂，具有最佳的抗疲劳性能，纤维扭结和纤维弯 曲是其主要的疲劳损伤机制，而厚板则存在严重的分层行为，且进一步形成横向和纵向裂纹。
从复合材料性能的疲劳性能影响研究现状来看，可以得到以下主要结论：首先，加工缺陷会对连接疲劳性能造成一定的影响；其次，在实际工程中，复合材料层合板的铺层设计参数应纳入重点考虑范围；最后，厚层合板和薄层合板的疲劳损伤机理有所区别，应该分别对待。
2、紧固件性能
影响紧固件连接强度的因素很多，紧固件的性能对连接结构的疲劳寿命也会产生一定的影响。而在实际应用中，紧固件的性能也涉及多个螺栓的行为，因此多螺栓结构的疲劳性能也应纳入考虑。
尺寸因素
螺栓结构的几何尺寸是影响连接疲劳性能最基本的因素之一，对于单个螺栓而言，螺栓头与螺栓杆之间过渡处的应力集中程度取决于圆角半径和紧固件尺寸，较小的圆角半径和较大的紧固件直径都会导致较高的应力集中程度。
而对于多钉连接结构，魏冉等对不同钉径、不同钉孔配合的复合材料多钉连接进行了疲劳试验研究，结果表明不同钉径和钉孔配合方式对于连接的疲劳性能和钉载分配影响较小。具体螺栓尺寸的选取与工程实际密切相关。
接头型式
沉头螺栓和凸头螺栓是两种常见的接头型式，不同螺栓接头的疲劳特性也有所不同。
蒲浩等对不同紧固件、紧固件/孔配合的碳纤维复合材料连接进行研究，结果表明凸头和沉头紧固件连接的应力分布及破坏模式均不相同，采用沉头紧固件连接可以提高复合材料的许用预紧力，但由于受力不均易发生屈曲破坏。
Qin等通过试验和仿真分析凸头和沉头螺栓连接结构在强度、刚度和破坏模式上的差异，给出了凸头和沉头螺栓接触面积、螺杆弯曲、孔周围变形和应力分布的变化，如图3所示。
材料种类
许多材料可用于制造紧固件，目前航空航天领域常用的四大结构材料为复合材料、铝合金、钛合金和合金钢，混合结构设计有时也是工程实际的最佳选择，但由于复合材料及金属的疲劳性能不同，热性能和机械性能也不匹配，具有不同的失效机制以及缺口敏感性，对疲劳载荷的反应不同，因此材料种类的不同会导致螺栓连接结构有多种可能的破坏模式。
侯赤等研究发现混合结构中T300/QY8911复合材料层合板损伤降低局部连接刚度，而金属板疲劳损伤增加局部连接刚度，表明金属疲劳有利于提高层合板疲劳寿命。
安子乾等研究发现由于碳纤维复合材料和钛合金金属材料自身疲劳性能的差异，在不同疲劳载荷水平下，其机械连接结构的疲劳破坏模式会发生变化；当载荷水平较低时，金属结构更容易发生破坏。
间隙配合
在实际工程中，复合材料螺栓连接结构的装配方法主要有三种：间隙配合、干涉配合以及理想配合（无间隙）。但考虑到安装、卸载和维修的便捷性，以及机器加工精度和装配误差等因素，螺栓也常采用间隙配合。间隙配合改变了连接结构表面的接触条件和载荷分布，以致于降低了螺栓连接结构的连接强度和疲劳强度。
Egan等研究了不同装配间隙下HTA/6376（碳纤维/环氧）复合材料螺栓连接结构，结果表明其初始刚度随间隙的变化而变化，沉头螺栓压缩应力大小随间隙的增加而增加。
钟茂平等对不同配合精度下的T300/QY8911复合材料螺栓连接强度进行研究，研究发现刚度随间隙增大呈线性下降的趋势，孔边径向应力高度集中且明显高于无间隙配合的情形。
干涉配合
通过干涉配合，螺栓连接的孔边会产生残余应力，降低了交变载荷的应力幅值和平均应力水平，可以提高连接结构的疲劳强度，当使用合理的干涉量时甚至可成倍提高结构疲劳寿命，复合材料连接结构干涉配合如图4所示。
在实际运用中，带衬套的干涉配合紧固系统可以减少分层损伤带来的影响。Xu等通过试验发现，在1.8％的干涉配合后，不含衬套的连接结构中孔边出现较多的纤维，基体也发生破坏，但衬套可以减小干涉配合时孔壁所受到的轴向力，有效减少分层损伤。
刘辉等通过数值模拟研究发现干涉量在0.8%~1%范围内，可以有效提高碳纤维增强树脂基复合材料连接结构的疲劳寿命。
螺栓数量
复合材料结构在实际工作中，常常涉及多个螺栓的力学行为，有时仅研究单个螺栓连接的疲劳特性，并不能准确地分析结构的疲劳性能和预测其疲劳寿命。现有的多螺栓疲劳试验一般考虑2、3、4、6个螺栓的连接结构，可分为单排和双排螺栓连接的情况。
Gamdani等研究多螺栓连接碳纤维复合材料结构的疲劳性能，如图5所示，结果表明多螺栓连接对比单螺栓来说承受疲劳载荷的能力也更强，拆除中心螺栓不会降低多螺栓连接的疲劳寿命。
而对于工程实际的多螺栓连接结构件，也有学者进行相关研究。周红磊针对航空发动机涡轮部件典型螺栓连接结构进行研究，包括预紧力、装配间隙和螺距等的影响，建立预紧螺栓连接疲劳寿命的分析方法。
Xu等对多螺栓连接碳纤维复合材料轮辋结构的疲劳性能进行数值分析，且对结构的连接性能进行多目标优化。
从紧固件性能的疲劳性能影响研究现状来看，可以得到以下主要结论：首先，螺栓的尺寸因素会影响其应力集中程度，不同钉径和钉孔配合方式对多钉连接疲劳性能和钉载分配影响较小，承受疲劳载荷的能力也比单钉更强；其次，沉头螺栓易因受力不均而发生破坏，多应用于要求隐身性强或气动性好的飞行器上，相比而言，凸头螺栓的承载能力更高；最后，钉孔的配合间隙越大，连接疲劳强度越低，而合适的干涉配合能有效提升连接结构的疲劳寿命。
3、侧向约束
螺栓拧紧力矩
在实际工程中，复合材料螺栓连接都规定了相应的拧紧力矩。通过向螺母或螺栓施加扭矩来拧紧螺栓从而产生螺栓部件中的拉力，通常称其为预紧力，可以保证结构的结合及提高疲劳性能。预紧力松弛也是导致紧固件连接疲劳失效、结构完整性破坏的主要机制之一。
乔乔等认为连接结构预紧力的大小会直接影响结构的疲劳性能，过小的预紧力不利于结构的连续性，过大的预紧力又会影响结构的疲劳寿命，因此，预紧力存在最优值。
对于单搭接与双搭接连接结构，肖睿恒等和Giannopoulos等分别进行试验与仿真分析，结果表明，预紧力大小不改变接头失效形式；随着预紧力增大，连接结构的疲劳寿命逐渐增大。
补偿垫片
对于要求高装配精度的连接结构，补偿垫片可以减少因加工误差等原因存在的装配间隙导致的预应力及装配应力对结构造成的损伤。目前常用的补偿垫片主要有液体垫片和固体金属垫片。
液体垫片所用的材料为可塑性环氧树脂，制造成本低，且对于任意形状或尺寸的间隙或较大的填充间隙面积的情况更为适用。Kapidžić等研究认为，使用液体垫片和低预紧力的螺栓连接结构的疲劳寿命显著降低，原因在于板间的摩擦载荷传递较低，施加的外载荷主要通过螺栓传递，增加了螺栓的弯曲应力，降低了疲劳寿命。
当螺栓结合面之间的间隙过大时，固体垫片比液体垫片更为适合。姚熊亮等开展了有无弹簧垫片复合材料螺栓连接结构的部件疲劳对比实验，结果表明弹簧垫片的预紧作用可延长复合材料层合板螺栓孔处的疲劳寿命。
从侧向约束的疲劳性能影响研究现状来看， 可以得到以下主要结论：首先，合适的预紧力能够保证结构的可靠性和有效地提高连接疲劳性能；其次，采用补偿垫片能减少应力集中对结构造成的损伤；最后，若间隙的形状或面积具有不确定性，可采用液体垫片，但间隙过大时，固体垫片对改善连接疲劳性能更有效。
4、几何效应
复合材料螺栓连接结构的几何效应，如连接板的长度、层合板直径与板厚比、试件的宽径比及孔端距与孔径比、螺孔形状和螺孔位置误差等因素也对结构的疲劳性能产生一定的影响。
Shan等采用了新型渐进疲劳损伤模型确定了碳纤维复合材料-铝连接板厚度比对螺栓连接结构竞争疲劳破坏的影响，给出了连接结构的疲劳失效模式与厚度比的关系。
普遍认为合适的试件宽度与孔径比及孔端距与孔径比能有效改善复合材料的连接强度，刘辉等研究发现若适当增大宽径比，可以提高碳纤维增强树脂基复合材料连接结构的疲劳寿命。
加工孔的几何精度和尺寸精度也是影响接头结构使用性能的重要因素。Qin等对碳纤维复合材料螺栓接头进行研究，研究发现沉角半径对复合材料连接底板的应力影响较大，而沉深度和沉角对顶部复合材料板的应力影响较大。
从几何效应的疲劳性能影响研究现状来看，可以得到以下主要结论：首先，混合结构连接板的板厚比会对结构竞争疲劳破坏产生影响；其次，合适的宽径比与孔端径比能有效改善复合材料连接强度；最后，螺孔的几何精度和尺寸精度也是影响连接结构疲劳性能的重要因素。
5、疲劳载荷
外部疲劳载荷的变化传递到螺栓的程度是螺栓受到疲劳损坏的主要影响因素。疲劳载荷可以分为静态疲劳载荷和振动疲劳载荷。
静态疲劳载荷
实际结构可能经历多种多样的载况，受载复杂而又随机性强，几乎不可能实现在试验中全真模拟实际载况，因此必须对其进行简化，典型螺栓结构的静态疲劳载荷为单轴载荷，也有考虑双轴或多轴载荷的标准试验程序。钟后顺基于HB 6442-90规定的旋转弯曲疲劳试验方法，验证了往复载荷作用下螺栓连接的松动问题。
由于螺栓接头可能存在不同的疲劳和颤动疲劳失效模式，因此难以充分描述其失效模式，并准确预测其疲劳寿命。Esmaeili等使用了几种多轴疲劳标准来预测螺栓接头的疲劳寿命，以评估夹紧力的疲劳效果。
疲劳载荷的偏心作用会产生附加弯矩及横向力引起螺栓失效。偏心率反映了应力集中的影响，其值等于其改变局部应力幅值与标称应力幅值之比。张志宏等研究发现对于CCF300/5228（碳纤维/环氧）复合材料单搭接连接结构，偏心作用加重了螺纹的应力集中，导致螺栓发生轴向断裂破坏，螺母内侧产生角裂纹。
进行侧向约束有助于降低紧固件所受的轴向载荷。刘礼平等研究发现由于偏心载荷的影响，在拉伸载荷作用下，单搭接连接结构会在螺栓处产生弯矩，导致接头面外变形，即二次弯曲，如图6所示。
振动疲劳载荷
当结构受到动态交变载荷时，如冲击、振动和噪声载荷等，若载荷的频率分布与结构的固有频率分布相接近，而激起结构共振引起疲劳的这种现象属于振动疲劳，其导致的共振破坏属于振动疲劳破坏，除此之外都属于静态疲劳问题。
张振等建立了基于模态参数评估T300/7901复合材料螺栓连接结构疲劳动态性能的分析方法，研究表明在相同预紧力时，试件激振频率越高，螺栓预紧力松弛越快。
目前基于模态参数对复合材料进行损伤识别的研究方法比较成熟，但相对来说，研究连接结构疲劳动态性能衰退的方法较少。关于加载频率对轴向激励下螺栓连接结构疲劳性能的影响，Li等研究认为螺栓轴向力的变化可以分为三个阶段，具体如表1所示。
从疲劳载荷的疲劳性能影响研究现状来看，可以得到以下主要结论：首先，实际结构所经历的载况多种多样，所设计的疲劳载荷应尽可能合理地反映结构的实际载况；其次，载荷偏心率的增加会导致螺纹的应力集中越严重，且会出现结构整体次弯曲的现象；最后，预紧力松弛可以反映结构在振动过程中能量耗散的过程。
6、环境因素
现有大部分疲劳性能研究的环境条件都是恒定湿度及温度状态，但在实际工作中，不仅不断循环变化的环境温度和湿度会对材料各性能产生影响，结构内部的接触条件还会受到改变，从而导致预紧力发生松弛。
Zhao等研究了湿热环境对单搭接和双搭接结构失效的影响。研究表明湿热环境对破坏模式没有影响，但确实缩短了损伤扩展过程并降低了强度。胡俊山研究温度对碳纤维复合材料干涉连接结构承载性能的影响，研究表明与常温相比，复合材料连接结构随着温度升高，其承载性能逐渐降低，但低温下承载性能不降反升。
对于复合材料本身在环境因素影响下的疲劳性能研究，谭志勇等对2D-C/SiC陶瓷基复合材料开展了常温-高温-常温环境下的疲劳试验，分析了材料在疲劳载荷下的失效机理，结果表明在变温与疲劳载荷耦合作用下，材料内部的碳纤维发生不同程度的氧化，SiC基体出现破裂、疏松导致结构破坏。
3.结论
综上所述，近几十年来复合材料螺栓连接结构疲劳性能的研究手段具有从试验向高研发效率的模型与预测方法发展的趋势，各种影响因素的研究也得到了较大的发展。未来其疲劳研究的重点领域或发展趋势主要包括：
(1) 高效可靠的疲劳模型与预测方法。渐进疲劳损伤模型因使用范围广、适用性强而具有很大的发展前景。但对于各种连接结构，包括复合材料与金属混合结构，仍需建立统一的、综合的以及可靠的疲劳模型与疲劳寿命预测方法。近年来，随着人工智能技术的兴起，将新兴技术与疲劳预测问题相结合也成为一种有效的手段。
(2) 多因素影响下的疲劳损伤机理。复合材料螺栓连接结构疲劳特性的影响因素多种多样，除了上述的影响因素，还有一些非主要但也值得考虑的因素，包括螺栓的热处理，用于装配的外部剩余螺纹数量、螺母厚度等，多因素的影响导致其疲劳问题实际上十分复杂，对其的预测也有一定的难度，但这也是未来研究的重点。
(3) 特殊环境因素导致的疲劳行为。复合材料螺栓连接结构在实际服役状态下不仅可能受到湿热作用，还可能包括酸雨、盐雾等腐蚀气氛的复杂工况，复合材料表面和内部组织或金属紧固件的力学性能由此发生变化，从而导致连接结构的疲劳性能下降。因此需要进一步研究特殊环境下连接结构的疲劳行为与损伤机理。
总之，复合材料螺栓连接结构具有很大的研究价值和应用前景，若要更充分、更有效地利用，仍需对其疲劳性能进行大量且全面的研究，以期实现可靠、科学的疲劳寿命预测。
作者：宁蕙，谭志勇，张宏宇
工作单位：空间物理重点实验室
来源：强度与环境
