[發明專利]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

有效

• 申請號: 201610039098.0
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105500867B
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 陸曉峰;曾卓;朱曉磊;劉楊;劉路維
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: B32B27/30
• 分類號: B32B27/30;B32B17/02;B32B17/10;B32B3/28;B32B3/06;B32B33/00
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司32218
• 代理人: 蔣真,徐冬濤

1.一種新型的無金屬連接件的復合材料夾層板連接結構的設計方法，其特征是包括以下步驟：

步驟一：復合材料夾層結構連接接頭初步設計：

在設計連接結構時，確定需要在夾層板的連接區域開設階梯槽后，需要根據成型工藝限定階梯槽的尺寸，本發明采用VARI成型工藝制備復合材料部件，纖維布在真空度為0.1MPa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材料力學公式：

梁受均布載荷的擾度公式：

為了纖維布在臺階處形成直角，則A點的擾度需滿足

則L₁與H₁關系式為：

因為纖維布單層厚度一定，當纖維布的鋪層數確定下來時，則EI確定，初定一個L₁的值，則初始設計H₁的也可以定下來，臺階級數也可以確定，H為復合材料夾層板的總高度；

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，對連接區域局部加強，增大連接結構的抗彎剛度和粘接面積；

步驟二：復合材料夾層結構接頭尺寸設計

1)復合材料夾層板的結構設計：

根據步驟一中的分析結果，假設復合材料夾層板纖維布鋪層數為n層，單層厚度為δ，初定L₁＝a，根據步驟一中L₁和H₁的函數關系，階梯槽的高度H₁可以初確定，臺階級數n取整數可知復合材料夾層板的連接區域的級階梯槽級數，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；

2)復合材料連接件的結構設計：

根據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；

3)復合材料加強筋的結構設計：

根據步驟一的分析可知，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；

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化：

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；

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；

3)連接結構的網格劃分：為了減小網格質量對連接結構的影響，對連接區域以及壓頭加載區域的網格進行細化，連接結構其余部分網格粗化；

4)優化模型的近似模型建立：由于本發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0.9時，繼續采集樣本點，直至可信度達到0.9及以上；

5)確定設計變量，約束條件及目標函數，建立優化模型；本發明連接結構優化算法的數學模型如下：

設計變量：

X＝(X₁，X₂，....X_n)；C₁≤X≤C₂

目標函數：

f(x)＝F(x)w₁/s₁+G(x)w₂/s₂

結構承載力最大maxF(x)

結構總重量最小maxG(x)

約束條件：

(σ₂₂/Y_T)²+(σ₁₂/S₁₂)²+(σ₂₃/S₂₃)²＜1

(σ₂₂/Y_C)²+(σ₁₂/S₁₂)²+(σ₂₃/S₂₃)²＜1

(σ₁₁/X_C)²＜1

(σ₁₁/X_T)²+(σ₁₂/S₁₂)²+(σ₁₃/S₁₃)²＜1

(σ₁₁/X_C)²+(σ₁₂/S₁₂)²+(σ₁₃/S₁₃)²＜1

(σ₃₃/Z_c)²+(σ₁₃/S₁₃)²+(σ₂₃/S₂₃)²＜1

F(X)為復合材料連接結構受彎曲載荷的最大承載力；

G(X)為復合材料連接結構的總重量；

X_T、X_C、Y_T、Y_C、Z_C、S₁₂、S₁₃和S₂₃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；

由初次模擬得出結構承載力和質量數值，可設W₁＝a，W₂＝b，S₁＝c，S₂＝d；

6)優化方法的選擇：將多島遺傳算法和序列二次規劃法相結合進行綜合尋優，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解所在的區域，然后再采用序列二次規劃法從探索法的設計結果開始，進行局部尋優，使得優化進程能夠很快到達最優設計點。