一種新型的無(wú)金屬連接件的復(fù)合材料夾層板連接結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及到全復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)連接技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及到同種或一種復(fù) 合材料夾層板的無(wú)金屬連接技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)密度小、 熱膨脹系數(shù)W及尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能，已被廣泛運(yùn)用于航空、航天、航海等領(lǐng) 域。
[0003] 盡管復(fù)合材料成型工藝技術(shù)不斷發(fā)展，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體性有較大提高。但 是由于復(fù)合材料成型工藝技術(shù)水平、結(jié)構(gòu)性要求W及道路運(yùn)輸要求，復(fù)合材料構(gòu)件不可避 免要與零部件相連接，從使用、安裝的實(shí)際需要出發(fā)，還必須有一定的結(jié)構(gòu)分離面和工藝分 離面?？梢?jiàn)復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)之間的連接技術(shù)成為了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán) T。
[0004] 在先進(jìn)的輕量化隱身艦船工程領(lǐng)域中已經(jīng)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間的無(wú)金屬連接件 的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)連接技術(shù)提出了迫切的要求。目前，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接方式主要有膠 接連接、機(jī)械連接和混合連接。
[0005] 機(jī)械連接需要在連接區(qū)域區(qū)上鉆孔，開(kāi)孔引起孔周?chē)姆謱?，?dǎo)致連接區(qū)域擠壓 強(qiáng)度較低(復(fù)合材料螺栓連接設(shè)計(jì)的強(qiáng)度準(zhǔn)則是擠壓強(qiáng)度），造成連接區(qū)域厚度增加、重量 增大，從而使復(fù)合材料的減重效果大大降低。同時(shí)，孔隙的存在導(dǎo)致結(jié)構(gòu)水密性能和氣密性 能下降，無(wú)法滿(mǎn)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(wú) 法實(shí)現(xiàn)電磁波隱身。例如美國(guó)DDG1000隱身護(hù)衛(wèi)艦上層建筑，大量采用無(wú)金屬連接件的復(fù)合 材料夾層結(jié)構(gòu)連接技術(shù)，從而使其滿(mǎn)足艦船對(duì)電磁波隱身的要求。
[0006] 綜上所述，本領(lǐng)域迫切需要開(kāi)發(fā)一種靈活簡(jiǎn)單、無(wú)金屬連接件的復(fù)合材料夾層板 連接結(jié)構(gòu)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型的技術(shù)目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種可用于設(shè) 計(jì)、制備新一代輕質(zhì)隱身艦船的無(wú)金屬連接件的復(fù)合材料夾層板連接結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法， W滿(mǎn)足新型隱身艦船輕質(zhì)、承載、隱身等多功能一體化的需要。
[000引本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案如下：
[0009] -種新型的無(wú)金屬連接件的復(fù)合材料夾層板連接結(jié)構(gòu)，包括玻璃纖維布、PVC泡沫 忍子、復(fù)合材料夾層板、復(fù)合材料連接件和復(fù)合材料加強(qiáng)筋，玻璃纖維布通過(guò)圍繞PVC泡沫 忍子W0度和90度交叉鋪層，制備復(fù)合材料夾層板、復(fù)合材料連接件和復(fù)合材料加強(qiáng)筋，通 過(guò)二次粘接制備復(fù)合材料夾層板連接結(jié)構(gòu)。
[0010] -種新型的無(wú)金屬連接件的復(fù)合材料夾層板連接結(jié)構(gòu)，包括玻璃纖維布、PVC泡沫 忍子、復(fù)合材料夾層板、復(fù)合材料連接件和復(fù)合材料加強(qiáng)筋，復(fù)合材料夾層板覆蓋設(shè)置在由 玻璃纖維布和PVC泡沫忍子構(gòu)成的板型結(jié)構(gòu)的外表面上，形成夾層板單元結(jié)構(gòu)，夾層板單元 結(jié)構(gòu)之間通過(guò)復(fù)合材料連接件和復(fù)合材料加強(qiáng)筋進(jìn)行粘接固定。
[0011] -種新型的無(wú)金屬連接件的復(fù)合材料夾層板連接結(jié)構(gòu)，包括W下步驟：
[0012] 步驟一:復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)連接接頭初步設(shè)計(jì)：
[0013] 在設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)時(shí)，確定需要在夾層板的連接區(qū)域開(kāi)設(shè)階梯槽后，需要根據(jù)成型 工藝限定階梯槽的尺寸，本實(shí)用新型采用VARI成型工藝制備復(fù)合材料部件，纖維布在真空 度為O.lMPa的壓力下與階梯泡沫忍子貼合，為了制備過(guò)程中不形成過(guò)渡的圓角，將纖維布 簡(jiǎn)化為梁，纖維布在真空壓力的作用下，纖維布對(duì)應(yīng)臺(tái)階直角處的A點(diǎn)擾度需要達(dá)到
，根據(jù)材料力學(xué)公式：
[0014] 梁受均布載荷的擾度公式
[0015] 為了纖維布在臺(tái)階處形成直角，則A點(diǎn)的擾度需滿(mǎn)月
[0016] 貝ijLi與出關(guān)系式關(guān)
[0017] 因?yàn)槔w維布單層厚度一定，當(dāng)纖維布的鋪層數(shù)確定下來(lái)時(shí)，貝化I確定化取纖維布 的等效彈性模量），初定一個(gè)^的值，則初始設(shè)計(jì)出的也可W定下來(lái)，臺(tái)階級(jí)數(shù)也可W 確定，Η為復(fù)合材料夾層板的總高度；
[0018] 在設(shè)計(jì)完復(fù)合材料夾層板原始尺寸后，要在復(fù)合材料夾層板的連接結(jié)構(gòu)底面粘接 一復(fù)合材料加強(qiáng)筋，對(duì)連接區(qū)域局部加強(qiáng)，增大連接結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和粘接面積；
[0019] 步驟二:復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)接頭尺寸設(shè)計(jì)
[0020] 1)復(fù)合材料夾層板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
[0021 ]根據(jù)步驟一中的分析結(jié)果，假設(shè)復(fù)合材料夾層板纖維鋪層數(shù)為η層，單層厚度為δ， 初定^二曰，根據(jù)步驟一中^和出的函數(shù)關(guān)系，階梯槽的高度出可W初確定，臺(tái)階級(jí)數(shù)》:《：|·， η取整數(shù)可知復(fù)合材料夾層板的連接區(qū)域的級(jí)階梯槽級(jí)數(shù)，在夾層板中需要填充PVC泡沫W 及波紋忍子提高夾層板的抗彎剛度的同時(shí)減輕結(jié)構(gòu)重量；
[0022] 2)復(fù)合材料連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
[0023] 根據(jù)（1)中設(shè)計(jì)的復(fù)合材料夾層板結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)配合的復(fù)合材料連接件尺 寸，同樣，在連接件中填充PVC泡沫。
[0024] 3)復(fù)合材料加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
[0025] 根據(jù)步驟一的分析可知，需要在復(fù)合材料夾層板的連接結(jié)構(gòu)底面粘接一復(fù)合材料 加強(qiáng)筋，對(duì)連接區(qū)域局部加強(qiáng)，增大連接結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和粘接面積。同樣，在復(fù)合材料加 強(qiáng)筋中填充PVC泡沫；
[0026] 步驟對(duì)初次設(shè)計(jì)的復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合尺寸多目標(biāo)優(yōu)化：
[0027] 1)利用ABAQUS建立Ξ維模型：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料采用實(shí)體單元建模，并調(diào)用Ξ維 化shin損傷起始準(zhǔn)則對(duì)復(fù)合材料損傷破壞進(jìn)行模擬，PVC泡沫也采用實(shí)體單元建模，其材料 屬性為可壓碎泡沫；
[0028] 2)連接結(jié)構(gòu)的邊界條件：由于復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)在艦船上主要的載荷形式為彎曲 載荷，在模擬的時(shí)候?qū)B接結(jié)構(gòu)施加四點(diǎn)彎曲載荷，兩上壓頭W位移載荷的形式加載，兩下 支座則固支；
[0029] 3)連接結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分:為了減小網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)連接結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)連接區(qū)域W及 壓頭加載區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，連接結(jié)構(gòu)其余部分網(wǎng)格粗化；
[0030] 4)優(yōu)化模型的近似模型建立：由于本實(shí)用新型的連接結(jié)構(gòu)屬于高度非線(xiàn)性模型， 模擬費(fèi)用大，近似模型可W降低計(jì)算成本，故對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行四階響應(yīng)面法采集實(shí)驗(yàn)樣本 點(diǎn)，并評(píng)估近似模型的可信度，當(dāng)可信度小于0.9時(shí)，繼續(xù)采集樣本點(diǎn)，直至可信度達(dá)到0.9 及W上；
[0031] 5)確定設(shè)計(jì)變量，約束條件及目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化模型。本實(shí)用新型連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化 算法的數(shù)學(xué)模型如下：
[0032] 設(shè)計(jì)變量：
[0033] X=(Xi，拉，...· Xn);&<X<C2
[0034] 目標(biāo)函數(shù)：
[0035] f (x) =F(x)wi/5i+G(x)w2/52
[0036] 結(jié)構(gòu)承載力最大maxF(x)
[0037] 結(jié)構(gòu)總重量最小minG(x)
[0038] 約束條件：
[0045] P(X)為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)受彎曲載荷的最大承載力；
[0046] C(X)為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的總重量；
[0047] 乂1'、乂(；、￥1'、￥(；、2(；、512、513和523分別代表復(fù)合材料的1方向拉伸極限強(qiáng)度、1方向壓縮 極限強(qiáng)度、2方向拉伸極限強(qiáng)度、2方向壓縮極限強(qiáng)度、3方向壓縮極限強(qiáng)度、12平面的剪切極 限強(qiáng)度、13平面的剪切極限強(qiáng)度和23平面的剪切極限強(qiáng)度；
[004引由初次模擬得出結(jié)構(gòu)承載力和質(zhì)量數(shù)值，可設(shè)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(jié)合進(jìn)行綜合尋優(yōu)，利 用此兩種算法的互補(bǔ)性，先采用多島遺傳算法進(jìn)行全局捜索確定最優(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(shè)計(jì)結(jié)果開(kāi)始，進(jìn)行局部尋優(yōu)，使得優(yōu)化進(jìn)程能夠很快 到達(dá)最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)。
[0050] 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的膠接面