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

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。本发明专利技术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。

A new composite material sandwich plate connecting structure and its design method

Connecting structure of composite sandwich plate is a new type of metal connector, which comprises a glass fiber cloth (1A), PVC (1B), foam core composite sandwich plate (1), (2) composite joints and reinforced composite material (3), glass fiber (1A) by around PVC foam core (1B) at 0 degrees and 90 degrees respectively, cross layer, preparation of composite sandwich plates (1), (2) composite joints and reinforced composite material (3), connecting structure through two adhesive preparation of composite sandwich plates. The invention can be used in the structure of high rigidity, high strength, electromagnetic wave stealth and other special requirements. Compared with the traditional connection structure, new connection structure is disclosed the found connection with high efficiency, compact structure, and can meet the requirements of electromagnetic stealth technology is simple, flexible, and has broad application prospect in the defense and industrial equipment.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到全复合材料夹层结构连接
，，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。
技术介绍
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。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节。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。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。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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术提供的技术方案如下：一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0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。一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。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，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，本专利技术采用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：δ=-qx24EI(l3-2lx2+x3),l=H12+L12;]]>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：1240EI[L1(H12+L12)32H1-2H1L15(H12+L12)32-L17H1]=1;]]>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：由于本专利技术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。本专利技术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minG(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/YT)2+(σ12/S12)2+(σ18/S18)2＜1(σ11/YC)2+(σ12/S12)2+(σ18/S18)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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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。
2.一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)，
复合材料夹层板(1)覆盖设置在由玻璃纤维布(1A)和PVC泡沫芯子(1B)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(2)和复合
材料加强筋(3)进行粘接固定。
3.一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，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：δ=-qx24EI(l3-2lx2+x3),l=H12+L12;]]>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：1240EI[L1(H12+L12)32H1-2H1L15(H12+L12)32-L17H1]=1;]]>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

\t模量)，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆晓峰，曾卓，朱晓磊，刘杨，刘路维，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32