近日，上海交通大學(xué)趙勇、林清源團(tuán)隊(duì)在《Thin-Walled Structures》和《Composite Structures》發(fā)表研究，提出了基于精細(xì)化有限元模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的復(fù)合材料螺栓連接時(shí)變不確定性分析與可靠度提升方法。與此前發(fā)表于《Composite Structures》和《Composites Part A》的文章形成系列成果，為復(fù)合材料螺栓連接的螺紋精細(xì)化建模、強(qiáng)度快速預(yù)測(cè)和面向可靠度提升的裝配參數(shù)優(yōu)化提供了新思路。

1. 基于精細(xì)化模型的數(shù)據(jù)集構(gòu)建

團(tuán)隊(duì)首先建立了考慮螺紋細(xì)節(jié)的高保真有限元模型（圖1a），通過(guò)虛擬裝配-拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)M螺栓連接的完整力學(xué)行為（圖1b）。模型中采用三維Hashin準(zhǔn)則和雙線(xiàn)性牽引分離定律分別描述復(fù)合材料層內(nèi)和層間損傷演化，并基于拉丁超立方采樣生成了以裝配參數(shù)為輸入、以結(jié)構(gòu)擠壓極限為輸出的數(shù)據(jù)集。

圖1 復(fù)材栓接結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型與擠壓極限計(jì)算

2. 仿真實(shí)驗(yàn)融合驅(qū)動(dòng)的擠壓極限快速預(yù)測(cè)

基于數(shù)據(jù)集，團(tuán)隊(duì)對(duì)比了線(xiàn)性回歸、隨機(jī)森林、XGBoost和LightGBM四種算法的預(yù)測(cè)性能。進(jìn)一步，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)系統(tǒng)偏差，提出仿真-實(shí)驗(yàn)融合驅(qū)動(dòng)的擠壓極限快速預(yù)測(cè)模型（SEFD-BL）。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)融合驅(qū)動(dòng)的擠壓極限快速預(yù)測(cè)

3. 基于快速預(yù)測(cè)模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析與擠壓可靠度評(píng)估

團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試量化分析了針對(duì)復(fù)材栓接結(jié)構(gòu)裝配參數(shù)的不確定性，將螺栓預(yù)緊力衰減、界面摩擦系數(shù)分散性等多源時(shí)變不確定性參數(shù)納入統(tǒng)一分析框架?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的擠壓極限時(shí)變可靠性評(píng)估方法。

圖3 基于快速預(yù)測(cè)模型的擠壓極限統(tǒng)計(jì)學(xué)分析與擠壓可靠度評(píng)估

4. 面向擠壓可靠度提升的復(fù)材栓接結(jié)構(gòu)裝配參數(shù)優(yōu)化

面向復(fù)材栓接結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了三種裝配工藝，通過(guò)優(yōu)化墊片類(lèi)型、表面處理方式和預(yù)緊控制方法，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)擠壓可靠度的顯著提升。

圖4  面向擠壓可靠度提升的復(fù)材栓接結(jié)構(gòu)裝配參數(shù)優(yōu)化

團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了復(fù)材栓接結(jié)構(gòu)高精度建模與數(shù)值計(jì)算方法，構(gòu)建了仿真-實(shí)驗(yàn)融合驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)擠壓極限快速預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了擠壓極限不確定性分析與時(shí)變可靠度評(píng)估，最終形成了面向擠壓可靠度提升的裝配工藝優(yōu)化框架，為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的高可靠性設(shè)計(jì)分析提供了新思路。

原始文獻(xiàn)與系列成果：

[1] Qingyuan Lin , Yong Zhao , Yu Ren , Yuming Liu , Wei Pan ,Wencai Yu , Xin Zhang , Simulation-Experiment Fusion-Driven Fast Prediction Method for Bearing Limits of Composite Bolted Assembly Systems, Thin-Walled Structures, Volume 215,2025,113397.

[2] Qingyuan Lin, Yong Zhao, Yuming Liu, Wei Pan, Yu Ren, Wencai Yu,Optimization of assembly parameters for composite bolted joints aiming at time-varying bearing reliability improvement, Composite Structures, Volume 363,2025,119113.

[3] Qingyuan Lin, Yong Zhao, Wei Pan, Yuming Liu, An improved 3D model of composite bolted joints with detailed thread structure and progressive damage analysis of realistic tightening process, Composite Structures, Volume 315,2023,117016.

[4] Lin Qingyuan, Yong Zhao, Chen Yan, Yuming Liu, Wei Pan, Progressive bearing failure analysis and strength prediction method for the initial assembly and tensile process of composite bolted joints, Composites Part A, Volume 187,2024,108476.

原文鏈接：

https:///10.1016/j.tws.2025.113397

https:///10.1016/j.compstruct.2025.119113

https:///10.1016/j.compstruct.2023.117016

https:///10.1016/j.compositesa.2024.108476