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在先进复合材料结构设计与服役评价中，连接区域的力学性能往往构成整体结构完整性的关键制约因素。玻璃纤维增强聚合物（GFRP）凭借其优异的比强度、比模量及耐环境腐蚀特性，已在土木基础设施、轨道交通及航空航天等高端制造领域获得广泛应用。然而，机械连接（尤其是螺栓连接）不可避免地引入孔边几何不连续性，切断了纤维增强相的连续传递路径，从而导致显著的应力集中效应与复杂的局部应力场。这种由各向异性材料属性与几何突变共同诱发的力学瓶颈，极易诱发基体开裂、分层及纤维断裂等初始损伤，严重限制了复合材料构件的设计许用值与损伤容限。

传统的连接理论告诉我们，载荷通过螺栓杆传递至孔壁，在极小的接触区域内产生巨大的挤压应力。由于复合材料一旦局部应力超过基体或纤维的极限，分层、劈裂及基体溃烂便接踵而至。过去，工程师们习惯于通过“做加法”来解决问题——局部增厚、粘接金属嵌件或引入Z-pin增强。这些方法虽然有效，但往往伴随着重量的剧增、工艺的繁琐以及界面脱粘的风险。

近日，华东交通大学联合同济大学、华东理工大学以及南方科技大学，提出了一种“金属网-套筒协同增强策略”（Metal Mesh–Sleeve Synergistic Reinforcement Strategy），巧妙地利用激光焊接技术，将嵌入层间的金属网与贯穿螺栓孔的金属套筒融为一体，构建了“刚柔并济”的多级载荷传递路径。研究表明，这种协同结构不仅利用套筒提供了刚性支撑，更利用金属网将孔边的集中挤压应力转化为层间的剪切应力，实现了拉伸载荷下峰值载荷提升约45%的优异效果。该成果不仅揭示了混合增强结构中的微观力学机理，更为大型复合材料构件的高效连接提供了低成本、可设计的工程化解决方案。论文题目为Stress relaxation-driven joints for GFRP laminates via an interlayer synergistic strategy，论文第一作者为华东交通大学万云副教授，通讯作者为扬州大学王方鑫副教授与同济大学杨斌教授，合作者还包括华东理工大学轩福贞教授，南方科技大学周利民教授和熊异研究员等人。

传统的GFRP螺栓连接失效，本质上是载荷传递路径过于单一造成的。螺栓与孔壁的接触仅仅是一条线或一个面，所有载荷必须通过这个狭窄的界面进入层合板。本研究提出的协同增强策略，旨在打破这一局限。研究团队采用不锈钢编织网作为层间增强材料，配合不锈钢套筒作为孔壁衬垫。二者通过高精度的激光焊接实现了冶金结合。

图１（a）金属网－套筒增强玻璃纤维层压板的制造工艺；（b）增强层和试件的尺寸；（c）内部结构；（d）传递机制；（e）层间应力分布。

该设计的核心力学逻辑在于构建了一套高效的多级载荷传递与耗散机制。首先，利用金属套筒的高弹性模量特性，改善螺栓孔周的径向刚度，使其作为一级承载单元直接承受螺栓杆的挤压载荷，有效延缓孔壁因局部压溃导致的初始损伤，并抑制径向塌陷变形。其次，基于激光焊接实现的界面冶金结合，将套筒承受的集中挤压应力转化为金属网的平面内拉伸应力，实现了载荷传递路径由孔边局部向层间区域的空间拓展。最终，依托嵌入层间的金属网结构，利用其巨大的比表面积激活剪切滞后机制，将金属网的拉伸载荷转化为与基体/纤维界面间的层间剪切应力。得益于剪切作用面积的指数级扩增，单位面积上的应力水平显著降低，从而有效规避了脆性断裂风险。通过这种“挤压-拉伸-剪切”的应力状态转换，显著提升了连接部位的损伤容限。

图2 具有三种不同铺层的 R、NWR和NR试件的典型力－位移曲线及其对应的形貌图：（a）铺层A；（b）铺层B；（c）铺层C；（d）峰值载荷和增强效果的比较分析，以及 A-R 的 Micro-CT 图像：（e）玻璃纤维界面；（f）金属网界面。

为了全面解析金属网-套筒协同增强策略在不同铺层构型下的力学响应，研究开展了系统的螺栓拉伸实验、DIC全场应变测量及Micro-CT损伤表征，并结合有限元模拟揭示了其多级增强机理。实验结果显示，在三种典型铺层（准各向同性Ply A、正交Ply B、斜向Ply C）中，嵌入套筒的增强试件在刚度与峰值载荷上均显著优于未增强组，验证了套筒对孔壁变形的有效约束作用。其中，协同增强组的性能提升尤为突出，相较于未增强组，其峰值载荷提升幅度高达45%，且显著高于仅含套筒但无焊接的对照组。这一差异源于增强试件中激光焊接构建的“套筒-金属网”一体化界面，该结构成功建立了高效的载荷传递通道：孔边的集中挤压载荷被转化为金属网的平面拉伸应力，并进一步通过剪切滞后机制转化为层间剪切应力，从而规避了孔壁的过早压溃。Micro-CT图像清晰捕捉到了这一机制的微观证据：增强试件的损伤表现为金属网界面的挤压变形与焊接点的局部失效，而非灾难性的层间分层，证实了优异的损伤容限。

图3 螺栓拉伸试验中试件A-R、A-RNW和A-NR的损伤演化数字图像相关应变等值线图。

进一步的铺层效应分析表明，准各向同性铺层（Ply A）凭借其多方向（0°/±45°/90°）的纤维架构，展现出最优的载荷传递效率与抗裂纹扩展能力，其增强后的峰值载荷达到6.32 kN，显著优于正交铺层（Ply B）与斜向铺层（Ply C）。DIC应变云图与有限元应力场分析高度吻合，直观呈现了协同增强策略对应力场的重构作用：未增强试件在低载荷下即出现孔边应力集中与压溃，而R试件通过多级传递机制，促使受压区与受拉区发生“协同承载”，有效分散了孔周的高应力梯度。模拟结果进一步指出，Ply A构型下的应力分布最为对称均匀，验证了“基体本身承载能力越强，协同增强效果越显著”的设计规律。

为探明金属网-套筒增强构件的几何设计准则，研究进一步对宽径比（W/D）与套筒壁厚参数进行了系统化的优化分析。实验表明，增强构件的性能对套筒壁厚具有高度的非线性敏感性：壁厚不足会导致结构刚度缺失，诱发塑性屈曲，导致增强失效；而壁厚过大虽能维持局部刚度，却因大幅挤占复合材料净截面，反而使失效模式由渐进式挤压转变为突发性的剪切断裂，峰值载荷显著下降21.45%。为精确锁定最优参数区间，研究结合高斯分布数据集构建了三维有限元模型，对1.0 mm至2.0 mm壁厚范围内的力学响应进行了研究。模拟结果揭示了峰值载荷随壁厚呈“震荡上升-骤降-趋稳”的演化规律，并在壁厚为1.66 mm（对应W/D比为3.86）时达到极值6.72 kN。应力场分析进一步阐明了其内在机理：在最优W/D比下，结构在保证足够净截面承载面积以规避剪切破坏的同时，最大限度地发挥了套筒分配应力与抑制孔壁变形的效能，实现了拉伸与压缩应力的同步稳定增长。这一研究不仅确立了金属网-套筒增强策略的“黄金分割点”，更揭示了多级载荷传递机制中几何参数与失效模式之间的竞争平衡关系，为该类连接结构的工程化精细设计提供了定量的理论依据。

图4 （a）典型的力－位移曲线；（b）不同套筒厚度开孔拉伸试验的模拟峰值力；（c）套筒厚度分别为1毫米、1.66毫米和2毫米的 A-R 试件的有限元应变云图对比。

为进一步探究金属网-套筒增强体系在复杂受力状态下的损伤演化规律，研究针对开孔压缩工况进行了深入的力学性能表征。载荷-位移响应曲线显示，增强试件的峰值载荷相较于未增强组显著提升了28.72%，且实验对比发现，金属网与套筒是否焊接连接的增强组之间峰值载荷差异仅为6%。这一现象深刻揭示了该混杂体系在不同加载模式下的增强机制解耦特征：不同于拉伸工况下金属网通过剪切转化传递载荷，在压缩载荷作用下，具有孔状拓扑结构的金属网难以发挥显著的抗屈曲效应，而高刚性的金属套筒则成为了承载主体。套筒通过提供关键的局部刚度支撑，承担了绝大部分挤压应力，有效抑制了孔壁的径向变形与承压失效。未增强试件因孔周刚度不足，导致应变过早在孔边积聚，诱发沿对角方向扩展的斜向劈裂破坏；反观增强试件，套筒的介入成功消除了孔边的结构弱点，促使高应变区由孔周转移至试件下部边缘，失效模式随之转变为整体的结构性屈曲。这种由局部刚度差异引发的失效模式逆转，证明了该协同策略在提升复合材料开孔结构抗压稳定性方面的显著效能。

图5 （a）典型的力－位移曲线和形貌图像；（b）峰值力和刚度的对比；（c）开孔压缩试验中D-R、D-RNW和D-NR损伤演化的数字图像相关应变图。

本文提出并建立了一种基于金属网-套筒协同策略的GFRP连接增强技术，系统阐明了该体系中微观界面结合与宏观力学响应之间的定量关系。研究发现，金属网与套筒的刚柔并济，通过路径引导及应力再分配等机制，促使连接部位的失效行为从局部脆性破坏转变为整体承载。通过激光焊接实现的金属网-套筒一体化结构，解决了传统嵌件界面结合弱的难题，显著提升了螺栓连接的极限承载力和吸能能力，并改善了失效模式。

综合分析表明，这种低成本、高性能、可设计的增强方案，并未显著增加制造难度，却能带来连接效率的质的飞跃。本研究构建的几何-材料-力学耦合框架，不仅适用于GFRP体系，还可推广至CFRP及其他混杂复合材料结构，为未来高性能复合材料部件在航空、建筑及交通领域的可靠连接提供了坚实的物理依据与工程指导价值。

原始文献：

Wan, Y., Chen, Y., Wang, L., Zhou, L., Xiong, Y., Xuan, F.-Z., Wang, F., & Yang, B. (2025). Stress relaxation-driven joints for GFRP laminates via an interlayer synergistic strategy. Construction and Building Materials, 504, 144656.