[发明专利]一种新型的无金属连接件的复合材料夹层板连接结构及其设计方法

摘要

一种新型的无金属连接件的复合材料夹层板连接结构，其特征是包括玻璃纤维布(1A)、PVC泡沫芯子(1B)、复合材料夹层板(1)、复合材料连接件(2)和复合材料加强筋(3)，玻璃纤维布(1A)通过围绕PVC泡沫芯子(1B)以0度和90度分别交叉铺层，制备复合材料夹层板(1)、复合材料连接件(2)和复合材料加强筋(3)，通过二次粘接制备复合材料夹层板连接结构。本发明可以用于具有高刚度、高强度、电磁波隐身等特殊要求的结构中。与传统的连接结构相比，本发现所公开的新型连接结构具有连接效率高、结构紧凑、可满足电磁隐身要求、成型工艺简单灵活等特点，在国防与工业装备中具有广阔的应用前景。

主权项

一种新型的无金属连接件的复合材料夹层板连接结构的设计方法，其特征是包括以下步骤：步骤一：复合材料夹层结构连接接头初步设计：在设计连接结构时，确定需要在夹层板的连接区域开设阶梯槽后，需要根据成型工艺限定阶梯槽的尺寸，本发明采用VARI成型工艺制备复合材料部件，纤维布在真空度为0.1MPa的压力下与阶梯泡沫芯子贴合，为了制备过程中不形成过渡的圆角，将纤维布简化为梁，纤维布在真空压力的作用下，纤维布对应台阶直角处的A点扰度需要达到根据材料力学公式：梁受均布载荷的扰度公式：为了纤维布在台阶处形成直角，则A点的扰度需满足则L1与H1关系式为：因为纤维布单层厚度一定，当纤维布的铺层数确定下来时，则EI确定，初定一个L1的值，则初始设计H1的也可以定下来，台阶级数也可以确定，H为复合材料夹层板的总高度；在设计完复合材料夹层板原始尺寸后，要在复合材料夹层板的连接结构底面粘接一复合材料加强筋，对连接区域局部加强，增大连接结构的抗弯刚度和粘接面积；步骤二：复合材料夹层结构接头尺寸设计1)复合材料夹层板的结构设计：根据步骤一中的分析结果，假设复合材料夹层板纤维布铺层数为n层，单层厚度为δ，初定L1＝a，根据步骤一中L1和H1的函数关系，阶梯槽的高度H1可以初确定，台阶级数n取整数可知复合材料夹层板的连接区域的级阶梯槽级数，在夹层板中需要填充PVC泡沫以及波纹芯子提高夹层板的抗弯刚度的同时减轻结构重量；2)复合材料连接件的结构设计：根据1)中设计的复合材料夹层板结构尺寸设计相对应配合的复合材料连接件尺寸，同样，在连接件中填充PVC泡沫；3)复合材料加强筋的结构设计：根据步骤一的分析可知，需要在复合材料夹层板的连接结构底面粘接一复合材料加强筋，对连接区域局部加强，增大连接结构的抗弯刚度和粘接面积；同样，在复合材料加强筋中填充PVC泡沫；步骤三：对初次设计的复合材料连接结构进行结合尺寸多目标优化：1)利用ABAQUS建立三维模型：纤维增强复合材料采用实体单元建模，并调用三维Hashin损伤起始准则对复合材料损伤破坏进行模拟，PVC泡沫也采用实体单元建模，其材料属性为可压碎泡沫；2)连接结构的边界条件：由于复合材料连接结构在舰船上主要的载荷形式为弯曲载荷，在模拟的时候对连接结构施加四点弯曲载荷，两上压头以位移载荷的形式加载，两下支座则固支；3)连接结构的网格划分：为了减小网格质量对连接结构的影响，对连接区域以及压头加载区域的网格进行细化，连接结构其余部分网格粗化；4)优化模型的近似模型建立：由于本发明的连接结构属于高度非线性模型，模拟费用大，近似模型可以降低计算成本，故对优化模型进行四阶响应面法采集实验样本点，并评估近似模型的可信度，当可信度小于0.9时，继续采集样本点，直至可信度达到0.9及以上；5)确定设计变量，约束条件及目标函数，建立优化模型；本发明连接结构优化算法的数学模型如下：设计变量：X＝(X1，X2，....Xn)；C1≤X≤C2目标函数：f(x)＝F(x)w1/s1+G(x)w2/s2结构承载力最大maxF(x)结构总重量最小maxG(x)约束条件：(σ22/YT)2+(σ12/S12)2+(σ23/S23)2＜1(σ22/YC)2+(σ12/S12)2+(σ23/S23)2＜1(σ11/XC)2＜1(σ11/XT)2+(σ12/S12)2+(σ13/S13)2＜1(σ11/XC)2+(σ12/S12)2+(σ13/S13)2＜1(σ33/Zc)2+(σ13/S13)2+(σ23/S23)2＜1F(X)为复合材料连接结构受弯曲载荷的最大承载力；G(X)为复合材料连接结构的总重量；XT、XC、YT、YC、ZC、S12、S13和S23分别代表复合材料的1方向拉伸极限强度、1方向压缩极限强度、2方向拉伸极限强度、2方向压缩极限强度、3方向压缩极限强度、12平面的剪切极限强度、13平面的剪切极限强度和23平面的剪切极限强度；由初次模拟得出结构承载力和质量数值，可设W1＝a，W2＝b，S1＝c，S2＝d；6)优化方法的选择：将多岛遗传算法和序列二次规划法相结合进行综合寻优，利用此两种算法的互补性，先采用多岛遗传算法进行全局搜索确定最优解所在的区域，然后再采用序列二次规划法从探索法的设计结果开始，进行局部寻优，使得优化进程能够很快到达最优设计点。