玄武岩纤维增强聚合物螺栓连接局部增强设计与损伤行为的数值研究

为提升复合材料螺栓连接的承载能力并兼顾轻量化与工艺简化，研究人员创新性地提出在螺栓孔内嵌入复合材料套筒的局部增强方案。该研究通过三维Hashin失效准则、基于能量的刚度退化模型及内聚力模型，系统表征了玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)单螺栓双搭接接头在拉伸载荷下的损伤演化过程，并深入探讨套筒尺寸、纤维体积分数及纤维类型对力学性能的影响。结果表明：BFRP套筒可有效延缓损伤萌生与扩展，使接头极限强度显著提升44.7%（套筒外径19?mm、碳纤维体积分数60%时），且不增加结构自重。该研究为复合材料螺栓连接的可靠性提升提供了新思路。

　　

这项数值研究聚焦玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)螺栓连接的力学性能优化难题。针对传统连接结构易出现应力集中的痛点，科研团队巧妙设计出在螺栓孔内植入复合材料套筒的局部增强方案。通过建立精细的三维有限元模型，采用Hashin失效准则精准捕捉纤维和基体的损伤萌生，结合刚度退化模型与内聚力模型(CZM)完整再现了从初始损伤到最终断裂的全过程。

研究发现，植入BFRP套筒能像"防弹衣"般有效阻挡裂纹扩展，使接头极限载荷飙升。当套筒外径增至19?mm时，其增强效果堪比"升级装甲"——若改用碳纤维增强聚合物(CFRP)套筒并将纤维体积分数提至60%，接头承载力更可跃升44.7%。这种"四两拨千斤"的增强策略，既避免了整体增重又简化了制造工艺，为飞行器、新能源汽车等领域的轻量化连接结构提供了可靠解决方案。