一種新型的無金屬連接件的復合材料夾層板連接結構及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及到全復合材料夾層結構連接技術領域，，尤其涉及到同種或一種復合 材料夾層板的無金屬連接技術。
【背景技術】
[0002] 纖維增強復合材料具有高比強度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強密度小、 熱膨脹系數(shù)以及尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能，已被廣泛運用于航空、航天、航海等領 域。
[0003]盡管復合材料成型工藝技術不斷發(fā)展，使復合材料結構的整體性有較大提高。但 是由于復合材料成型工藝技術水平、結構性要求以及道路運輸要求，復合材料構件不可避 免要與零部件相連接，從使用、安裝的實際需要出發(fā)，還必須有一定的結構分離面和工藝分 離面。可見復合材料板結構之間的連接技術成為了復合材料結構技術發(fā)展中的一個關鍵環(huán) To
[0004] 在先進的輕量化隱身艦船工程領域中已經(jīng)對復合材料結構之間的無金屬連接件 的復合材料夾層結構連接技術提出了迫切的要求。目前，復合材料結構連接方式主要有膠 接連接、機械連接和混合連接。
[0005] 機械連接需要在連接區(qū)域區(qū)上鉆孔，開孔引起孔周圍的分層，導致連接區(qū)域擠壓 強度較低(復合材料螺栓連接設計的強度準則是擠壓強度），造成連接區(qū)域厚度增加、重量 增大，從而使復合材料的減重效果大大降低。同時，孔隙的存在導致結構水密性能和氣密性 能下降，無法滿足正常的使用要求。最重要的是，金屬屬于全反射材料，采用金屬連接件無 法實現(xiàn)電磁波隱身。例如美國DDG1000隱身護衛(wèi)艦上層建筑，大量采用無金屬連接件的復合 材料夾層結構連接技術，從而使其滿足艦船對電磁波隱身的要求。
[0006] 綜上所述，本領域迫切需要開發(fā)一種靈活簡單、無金屬連接件的復合材料夾層板 連接結構。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的技術目的是針對上述現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種可用于設計、制 備新一代輕質隱身艦船的無金屬連接件的復合材料夾層板連接結構及其設計方法，以滿足 新型隱身艦船輕質、承載、隱身等多功能一體化的需要。
[0008] 本發(fā)明提供的技術方案如下：
[0009] -種新型的無金屬連接件的復合材料夾層板連接結構，包括玻璃纖維布、PVC泡沫 芯子、復合材料夾層板、復合材料連接件和復合材料加強筋，玻璃纖維布通過圍繞PVC泡沫 芯子以〇度和90度交叉鋪層，制備復合材料夾層板、復合材料連接件和復合材料加強筋，通 過二次粘接制備復合材料夾層板連接結構。
[0010] -種新型的無金屬連接件的復合材料夾層板連接結構，包括玻璃纖維布、PVC泡沫 芯子、復合材料夾層板、復合材料連接件和復合材料加強筋，復合材料夾層板覆蓋設置在由 玻璃纖維布和PVC泡沫芯子構成的板型結構的外表面上，形成夾層板單元結構，夾層板單元 結構之間通過復合材料連接件和復合材料加強筋進行粘接固定。
[0011] -種新型的無金屬連接件的復合材料夾層板連接結構及其設計方法，包括以下步 驟：
[0012] 步驟一:復合材料夾層結構連接接頭初步設計：
[0013] 在設計連接結構時，確定需要在夾層板的連接區(qū)域開設階梯槽后，需要根據(jù)成型 工藝限定階梯槽的尺寸，本發(fā)明采用VARI成型工藝制備復合材料部件，纖維布在真空度為 O.IMPa的壓力下與階梯泡沫芯子貼合，為了制備過程中不形成過渡的圓角，將纖維布簡化 為梁，纖維布在真空壓力的作用下，纖維布對應臺階直角處的A點擾度需要達到
根據(jù)材料力學公式：
[0014] 梁受均布載荷的擾度公式
[0015] 為了纖維布在臺階處形成直角，
[0016] 則Li與Hi關系式為：
[0017] 因為纖維布單層厚度一定，當纖維布的鋪層數(shù)確定下來時，則EI確定(E取纖維布 的等效彈性模量），初定一個1^的值，則初始設計ft的也可以定下來， 確定，Η為復合材料夾層板的總高度；
[0018] 在設計完復合材料夾層板原始尺寸后，要在復合材料夾層板的連接結構底面粘接 一復合材料加強筋，對連接區(qū)域局部加強，增大連接結構的抗彎剛度和粘接面積；
[0019] 步驟二:復合材料夾層結構接頭尺寸設計
[0020] 1)復合材料夾層板的結構設計：
[0021] 根據(jù)步驟一中的分析結果，假設復合材料夾層板纖維鋪層數(shù)為η層，單層厚度為δ， 初定Li = a，根據(jù)步驟一中Li和Hi的函數(shù)關系，階梯槽的高度Hi可以初確定，
η取整數(shù)可知復合材料夾層板的連接區(qū)域的級階梯槽級數(shù)，在夾層板中需要填充PVC泡沫以 及波紋芯子提高夾層板的抗彎剛度的同時減輕結構重量；
[0022] 2)復合材料連接件的結構設計：
[0023] 根據(jù)（1)中設計的復合材料夾層板結構尺寸設計相對應配合的復合材料連接件尺 寸，同樣，在連接件中填充PVC泡沫。
[0024] 3)復合材料加強筋的結構設計：
[0025] 根據(jù)步驟一的分析可知，需要在復合材料夾層板的連接結構底面粘接一復合材料 加強筋，對連接區(qū)域局部加強，增大連接結構的抗彎剛度和粘接面積。同樣，在復合材料加 強筋中填充PVC泡沫；
[0026]步驟三:對初次設計的復合材料連接結構進行結合尺寸多目標優(yōu)化：
[0027] 1)利用ABAQUS建立三維模型：纖維增強復合材料采用實體單元建模，并調用三維 Hashin損傷起始準則對復合材料損傷破壞進行模擬，PVC泡沫也采用實體單元建模，其材料 屬性為可壓碎泡沫；
[0028] 2)連接結構的邊界條件：由于復合材料連接結構在艦船上主要的載荷形式為彎曲 載荷，在模擬的時候對連接結構施加四點彎曲載荷，兩上壓頭以位移載荷的形式加載，兩下 支座則固支；
[0029] 3)連接結構的網(wǎng)格劃分:為了減小網(wǎng)格質量對連接結構的影響，對連接區(qū)域以及 壓頭加載區(qū)域的網(wǎng)格進行細化，連接結構其余部分網(wǎng)格粗化；
[0030] 4)優(yōu)化模型的近似模型建立：由于本發(fā)明的連接結構屬于高度非線性模型，模擬 費用大，近似模型可以降低計算成本，故對優(yōu)化模型進行四階響應面法采集實驗樣本點，并 評估近似模型的可信度，當可信度小于〇 . 9時，繼續(xù)采集樣本點，直至可信度達到0.9及以 上；
[0031] 5)確定設計變量，約束條件及目標函數(shù)，建立優(yōu)化模型。本發(fā)明連接結構優(yōu)化算法 的數(shù)學模型如下：
[0032] 設計變量：
[0033] X=(Xi,X2,---.Xn)；Ci<X<C2
[0034] 目標函數(shù)：
[0035] f(x) =F(x)wi/si+G(x)W2/s2 [0036]結構承載力最大maxF(x)
[0037] 結構總重量最小minG(x)
[0038] 約束條件：
[0039] (〇22/YT)2+(〇12/Sl2)2+(〇23/S23) 2< 1
[0040] (〇22/Yc)2+(〇12/Sl2)2+(〇23/S23) 2< 1 [0041 ] (〇n/Xc)2<l
[0042] (〇ii/Yt)2+(〇12/Si2)2+(〇18/Si8) 2< 1
[0043] (〇ii/Yc)2+(〇i2/Si2)2+(〇i 8/Si8)2<l
[0044] (〇33/Zc)2+(〇13/Sl3)2+(〇23/S23) 2< 1
[0045] F(X)為復合材料連接結構受彎曲載荷的最大承載力；
[0046] G (X)為復合材料連接結構的總重量；
[0047] 乂1^上、2。、512、513和523分別代表復合材料的1方向拉伸極限強度、1方向壓縮 極限強度、2方向拉伸極限強度、2方向壓縮極限強度、3方向壓縮極限強度、12平面的剪切極 限強度、13平面的剪切極限強度和23平面的剪切極限強度；
[0048]由初次模擬得出結構承載力和質量數(shù)值，可設Wi = a，W2 = b，Si = c，S2 = d;
[0049] 6)優(yōu)化方法的選擇:將多島遺傳算法和序列二次規(guī)劃法相結合進行綜合尋優(yōu)，利 用此兩種算法的互補性，先采用多島遺傳算法進行全局搜索確定最優(yōu)解所在的區(qū)域，然后 再采用序列二次規(guī)劃法從探索法的設計結果開始，進行局部尋優(yōu)，使得優(yōu)化進程能夠很快 到達最優(yōu)設計點。
[0050] 復合材料夾層結構的膠接面積、局部剛度對復合材料夾層結構的強度及連接剛度 具有重要的影響。本發(fā)明所述新型無金屬連接件復合材料夾層板連接結構，通過開設階梯 槽增加了膠接面積，同時在連接區(qū)域通過加強結構對其局部剛度進行補強，從而獲得較高 的連接效率。在此基礎上，針對連接結構高度非線性的特征，本發(fā)明專利首先基于復合材料 力學、結構力學推導得到了階梯槽開槽深度與開槽寬度的函數(shù)關系以及開槽級數(shù)的臨界 值;最后，利用ABAQUS對初次建立的模型進行三維數(shù)值模擬，以連接結構承載力最大和結構 總重量最小為綜合目標，基于多島遺傳和二次序列優(yōu)化算法的結構優(yōu)化設計方法，結合 ISIGHT和ABAQUS對初次建立的模型結構進行尺寸優(yōu)化。即，確定復合材料夾層板連接區(qū)域 階梯槽的結構尺寸，并相應確定復合材料連接件和復合材料加強筋的尺寸，從而獲得最優(yōu) 連接結構尺寸。
[0051] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0052] (1)通過采用輕質PVC泡沫作為構件的填充物、采用纖維增強樹脂基復合材料作為 連接結構的母體材料，從根本上減輕了復合材料連接結構的重量。
[0053] (2)整個連接結構全部使用復合材料，保證了連接結構的電磁波隱身有效性。
[0054] (3)由于本發(fā)明所提供的連接結構合理，可以實現(xiàn)水密性和氣密性的要求。
[0055] (4)通過結構優(yōu)化設計，得到在夾層板主體尺寸不變的情況下，連接結構承載力和 結構總重量的多目標優(yōu)化的結構連接尺