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
【技术领域】
[0001] 本发明涉及到全复合材料夹层结构连接技术领域，，尤其涉及到同种或一种复合 材料夹层板的无金属连接技术。
【背景技术】
[0002] 纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强密度小、 热膨胀系数以及尺寸稳定性好等一系列优异性能，已被广泛运用于航空、航天、航海等领 域。
[0003]尽管复合材料成型工艺技术不断发展，使复合材料结构的整体性有较大提高。但 是由于复合材料成型工艺技术水平、结构性要求以及道路运输要求，复合材料构件不可避 免要与零部件相连接，从使用、安装的实际需要出发，还必须有一定的结构分离面和工艺分 离面。可见复合材料板结构之间的连接技术成为了复合材料结构技术发展中的一个关键环 To
[0004] 在先进的轻量化隐身舰船工程领域中已经对复合材料结构之间的无金属连接件 的复合材料夹层结构连接技术提出了迫切的要求。目前，复合材料结构连接方式主要有胶 接连接、机械连接和混合连接。
[0005] 机械连接需要在连接区域区上钻孔，开孔引起孔周围的分层，导致连接区域挤压 强度较低(复合材料螺栓连接设计的强度准则是挤压强度），造成连接区域厚度增加、重量 增大，从而使复合材料的减重效果大大降低。同时，孔隙的存在导致结构水密性能和气密性 能下降，无法满足正常的使用要求。最重要的是，金属属于全反射材料，采用金属连接件无 法实现电磁波隐身。例如美国DDG1000隐身护卫舰上层建筑，大量采用无金属连接件的复合 材料夹层结构连接技术，从而使其满足舰船对电磁波隐身的要求。
[0006] 综上所述，本领域迫切需要开发一种灵活简单、无金属连接件的复合材料夹层板 连接结构。
【发明内容】
[0007] 本发明的技术目的是针对上述现有技术中存在的不足，提供一种可用于设计、制 备新一代轻质隐身舰船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，以满足 新型隐身舰船轻质、承载、隐身等多功能一体化的需要。
[0008] 本发明提供的技术方案如下：
[0009] -种新型的无金属连接件的复合材料夹层板连接结构，包括玻璃纤维布、PVC泡沫 芯子、复合材料夹层板、复合材料连接件和复合材料加强筋，玻璃纤维布通过围绕PVC泡沫 芯子以〇度和90度交叉铺层，制备复合材料夹层板、复合材料连接件和复合材料加强筋，通 过二次粘接制备复合材料夹层板连接结构。
[0010] -种新型的无金属连接件的复合材料夹层板连接结构，包括玻璃纤维布、PVC泡沫 芯子、复合材料夹层板、复合材料连接件和复合材料加强筋，复合材料夹层板覆盖设置在由 玻璃纤维布和PVC泡沫芯子构成的板型结构的外表面上，形成夹层板单元结构，夹层板单元 结构之间通过复合材料连接件和复合材料加强筋进行粘接固定。
[0011] -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，包括以下步 骤：
[0012] 步骤一:复合材料夹层结构连接接头初步设计：
[0013] 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 O.IMPa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：
[0014] 梁受均布载荷的扰度公式
[0015] 为了纤维布在台阶处形成直角，
[0016] 则Li与Hi关系式为：
[0017] 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(E取纤维布 的等效弹性模量），初定一个1^的值，则初始设计ft的也可以定下来， 确定，Η为复合材料夹层板的总高度；
[0018] 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；
[0019] 步骤二:复合材料夹层结构接头尺寸设计
[0020] 1)复合材料夹层板的结构设计：
[0021] 根据步骤一中的分析结果，假设复合材料夹层板纤维铺层数为η层，单层厚度为δ， 初定Li = a，根据步骤一中Li和Hi的函数关系，阶梯槽的高度Hi可以初确定，
η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；
[0022] 2)复合材料连接件的结构设计：
[0023] 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。
[0024] 3)复合材料加强筋的结构设计：
[0025] 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；
[0026]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：
[0027] 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；
[0028] 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；
[0029] 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；
[0030] 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，当可信度小于〇 . 9时，继续采集样本点，直至可信度达到0.9及以 上；
[0031] 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：
[0032] 设计变量：
[0033] X=(Xi,X2,---.Xn)；Ci<X<C2
[0034] 目标函数：
[0035] f(x) =F(x)wi/si+G(x)W2/s2 [0036]结构承载力最大maxF(x)
[0037] 结构总重量最小minG(x)
[0038] 约束条件：
[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)为复合材料连接结构受弯曲载荷的最大承载力；
[0046] G (X)为复合材料连接结构的总重量；
[0047] 乂1^上、2。、512、513和523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；
[0048]由初次模拟得出结构承载力和质量数值，可设Wi = a，W2 = b，Si = c，S2 = d;
[0049] 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。
[0050] 复合材料夹层结构的胶接面积、局部刚度对复合材料夹层结构的强度及连接刚度 具有重要的影响。本发明所述新型无金属连接件复合材料夹层板连接结构，通过开设阶梯 槽增加了胶接面积，同时在连接区域通过加强结构对其局部刚度进行补强，从而获得较高 的连接效率。在此基础上，针对连接结构高度非线性的特征，本发明专利首先基于复合材料 力学、结构力学推导得到了阶梯槽开槽深度与开槽宽度的函数关系以及开槽级数的临界 值;最后，利用ABAQUS对初次建立的模型进行三维数值模拟，以连接结构承载力最大和结构 总重量最小为综合目标，基于多岛遗传和二次序列优化算法的结构优化设计方法，结合 ISIGHT和ABAQUS对初次建立的模型结构进行尺寸优化。即，确定复合材料夹层板连接区域 阶梯槽的结构尺寸，并相应确定复合材料连接件和复合材料加强筋的尺寸，从而获得最优 连接结构尺寸。
[0051] 本发明具有以下优点：
[0052] (1)通过采用轻质PVC泡沫作为构件的填充物、采用纤维增强树脂基复合材料作为 连接结构的母体材料，从根本上减轻了复合材料连接结构的重量。
[0053] (2)整个连接结构全部使用复合材料，保证了连接结构的电磁波隐身有效性。
[0054] (3)由于本发明所提供的连接结构合理，可以实现水密性和气密性的要求。
[0055] (4)通过结构优化设计，得到在夹层板主体尺寸不变的情况下，连接结构承载力和 结构总重量的多目标优化的结构连接尺