可重复跨域飞行器在服役过程中，需经受载荷与高低温交替耦合的复杂环境，金属 – 复合材料混合螺栓连接结构作为其内部关键连接形式，因材料热膨胀系数、力学性能差异，极易因热应力分布不均引发变形与失效。然而，现有研究多聚焦单温度环境下的结构性能分析，难以模拟真实的热 – 力耦合循环工况，对该类结构在交替温变下的力学演化与损伤机理的认知仍存在不足。
近日，西北工业大学黄河源团队针对这一问题展开深入研究，以 T1000/BMI 复合材料螺栓连接结构为对象，探究了 – 80℃~80℃热机械循环下的力学性能与损伤机制，相关成果发表于国际知名期刊《Composites Part B: Engineering》，论文标题为 “Investigation on mechanical behavior and damage mechanism of T1000/BMI composite bolted joints under thermomechanical cycling of −80°C~80°C”。任晓洋硕士与戴亚光博士为共同一作，黄河源副研究员为通讯作者，赵美英教授、牛牧文硕士、贾犇博士、董志城博士共同参与了论文的相关研究工作，西北工业大学航空学院为论文第一单位。研究为跨域飞行器复合材料连接结构的设计与可靠性评估提供了关键数据和理论支撑。
该研究设计了单温度（-80℃、25℃、80℃）与 10 次热机械循环（25℃→-80℃→80℃→25℃循环）的准静态拉伸试验，结合 Micro-CT、SEM 表征与有限元模拟，揭示了热 – 力耦合环境下 T1000/BMI 复合材料螺栓连接结构的力学特性与损伤演化规律，并进一步模拟了 10-55 次循环下的性能变化（图1）。
图 1 Graphic Abstract
（1）力学性能演化规律：试验结果显示，温度对结构力学性能影响显著：-80℃时，结构极限载荷较 25℃提升 12.54%，初始刚度提高 15.43%，这源于低温下基体分子链运动受限、纤维 – 基体界面粘结增强，且螺栓预紧力增大进一步约束了接头变形；80℃时，极限载荷下降 14.47%，但 “热致致密化” 效应使初始刚度提升 12.89%，高温下树脂基体流动性增加，填充孔隙与裂纹，同时纤维对基体膨胀的约束引发孔隙闭合。经历 10 次热机械循环后，结构极限载荷下降 4.99%，初始刚度提升 4.55%，介于室温与单极端温度之间，表明交替温变引发的损伤累积虽造成承载能力下降，但也因材料内部特性改变带来刚度小幅提升（图2）。
图 2 四种工况下的（a）平均极限载荷和（b）平均初始刚度
（2）损伤机制与失效特征：通过 Micro-CT 和 SEM 观测发现，单温度环境下结构损伤模式差异明显：-80℃以纤维横向断裂、表层分层为主；80℃表现为基体软化、纤维脱粘，孔周挤压损伤加剧。而热机械循环下，损伤呈现 “高温软化 – 低温脆化” 耦合特征，螺栓孔周围出现纤维断裂、拔出、脱粘与基体碎屑共存的复杂损伤形式，且损伤主要集中在孔周受压侧，呈新月形分布。有限元模拟进一步表明，基体损伤是主要失效形式，随循环次数增加，基体损伤区域逐渐扩展，但传播速率因损伤屏蔽效应和应力重分布逐渐放缓（图3）。
图 3 四种工况下的SEM图像
（3）循环次数的影响：对 10-55 次热机械循环的模拟分析显示，结构承载能力随循环次数增加持续下降，55 次循环时极限载荷较 25℃最多降低 22.41%。但损伤扩展速率逐步减缓，如 0° 铺层中基体损伤面积占比的增长速率从 10-25 次循环的 0.675% 降至 40-55 次循环的 0.332%，体现了复合材料在交替载荷下的损伤自稳定特性（图4）。
图 4 （a）由仿真得到的n次循环下的载荷-位移曲线；（b）n次循环下An、Bn、Cn的变化情况；（c）螺栓孔周基体损伤云图
该研究系统阐明了 – 80℃~80℃热机械循环下 T1000/BMI 复合材料螺栓连接结构的力学性能演化与损伤机制，揭示了温度交替引发的 “热致致密化”“损伤屏蔽” 等关键效应，以及循环次数对结构承载与损伤传播的影响规律。研究成果为可重复跨域飞行器复合材料连接结构的优化设计与可靠性评估提供了重要依据，后续还可进一步探究多排多螺栓结构、动态载荷耦合下的力学行为，完善极端环境下复合材料连接结构的失效预测模型。
原始文献：
Xiaoyang Ren, Yaguang Dai, Zhicheng Dong, Ben Jia, Muwen Niu, Meiying Zhao, Heyuan Huang, Investigation on mechanical behavior and damage mechanism of T1000/BMI composite bolted joints under thermomechanical cycling of −80°C∼80°C, Composites Part B: Engineering, Volume 311, 2026, 113261.
原文链接：
https:///10.1016/j.compositesb.2025.113261