A Progressive Damage Model for Predicting Tensile Performance of Composite Single-Bolt Double-Shear Joints with Prefabricated Hole-Edge Delamination: Unveiling Size-Dependent Delamination Behavior
本研究结合实验测试与经过验证的三维渐进损伤模型，旨在证明预制孔边分层显著影响复合材料单螺栓双剪接头的拉伸性能与失效演化过程，并揭示了一种尺寸依赖行为，即随着分层直径从 0 mm 增加到 28 mm，极限载荷降低了 5.7%。
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现代飞机越来越多地采用碳纤维和树脂层构建，这种材料以其极高的强度和极轻的重量而闻名。这种复合材料使得像波音787和空客A350这样的飞机能够比它们旧有的金属机型飞得更远、更省燃料。然而，这些轻质结构仍然需要被固定在一起，而最可靠的方法就是使用螺栓。当工程师钻孔以插入螺栓时，这个过程有时会导致材料的层间发生轻微分离，这种缺陷被称为分层（delamination）。这种分离通常发生在螺栓所在的孔口边缘。虽然微小的分离看起来似乎无伤大雅，但它可能成为一个隐藏的薄弱点，在飞行压力下不断扩大，最终可能导致灾难性的失效。准确了解这些隐藏缺陷如何影响接头的强度，对于设计更安全、更高效的飞机至关重要。
南京航空航天大学和中航工业成都飞机设计研究所的研究人员致力于解决这一难题，他们研究了一种特定的连接方式：由单个螺栓连接两个重叠的复合材料片，这种设置被称为单螺栓双剪切接头。他们想要观察预制的分层在孔口边缘的大小如何改变接头的承载能力。为此，他们使用一种高强度碳纤维复合材料制作了一系列测试试样。其中一些试样是完美的，没有任何缺陷；而另一些则是在材料特定层之间引入了一个圆形分离，分离直径分别为12、20和28毫米。随后，他们通过受控测试将这些接头拉开，以观察它们在断裂前能承受多少力。
该团队并未止步于物理测试，还构建了一个详细的数字孪生体来模拟实验。利用先进的计算机建模技术，他们模拟了材料如何逐层断裂以及分离是如何扩散的复杂过程。这个数字模型使他们能够追踪那些在物理测试中难以观察到的隐形裂纹和应力点。计算机预测结果与物理测试结果高度吻合，误差小于百分之十。这一成功为研究人员提供了一个强大的工具，让他们可以探索在实验室中难以轻易测试的情景，例如改变缺陷的形状或改变其在材料中的位置。
物理测试揭示了一个清晰且符合预期的趋势：预制分离越大，接头就越弱。完美试样的平均承载力为16.44千牛。当分离直径增加到28毫米时，平均强度降至15.51千牛，降幅为5.7%。虽然这个百分比看起来可能很小，但在航空工程领域，每一分强度都至关重要。研究人员观察到，失效并非突然的断裂，而是一个渐进的过程。随着载荷增加，螺栓孔周围的材料开始被挤压，纤维开始发生失稳，同时层间的分离也在扩大。数字模型显示，这种损伤始于螺栓挤压材料的一侧，并向外呈半圆形扩散。
或许最令人惊讶的发现是缺陷的大小如何改变其行为方式。当预制分离较小时，损伤并不会被限制在原处，而是会向外扩散，迅速蔓延至周围的材料。然而，当分离较大时，损伤主要保持在预制缺陷的边界内，几乎没有额外的扩散。这表明存在一个关键的阈值：小缺陷之所以危险，是因为它们会引发连锁反应，破坏周围健康的材料；而大缺陷之所以危险，仅仅是因为它们本身很大，限制了材料分担载荷的能力，但并不一定会触发大规模的失控性失效。
研究人员还利用计算机模型测试了其他因素如何影响接头的强度。他们发现，分离的位置非常重要。位于材料厚度中间位置的缺陷比位于表面的缺陷危害更大，因为中间层受到的螺栓压力约束较小，更容易发生分离。缺陷的形状也起到了作用：方形分离比圆形或椭圆形分离造成的损伤更大，这可能是因为尖锐的棱角产生了更剧烈的应力集中。同样，椭圆形缺陷的方向也很重要，特定的排列方式会导致最大的强度损失。
最后，研究还探讨了组装过程本身是如何影响或损害接头的。他们发现，通过加大螺栓的预紧力（即更紧地拧紧螺栓），实际上可以使接头变得更强，因为这能将各层挤压在一起并抑制分离。相反，如果螺栓比孔径略小，产生间隙，接头会显著变弱。用于连接该接头的金属件的厚度不会显著改变最大强度，但会影响接头在轻载下的刚度感。这些发现为工程师提供了一份清晰的路线图，表明虽然预制缺陷在所难免，但可以通过精心的设计、妥善的组装以及对材料受损行为的理解来进行管理。
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