CN105500867B - 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 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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
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
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。
发明内容
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。
本发明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(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＜1
F(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。
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。
本发明具有以下优点：
(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。
(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。
(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。
(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寸。
附图说明
图1是本发明的纤维布真空成型受力示意图。
图2是本发明的复合材料夹层板的截面示意图。
图3是本发明的复合材料连接件的截面示意图。
图4是本发明的复合材料加强筋的截面示意图。
图5是本发明的近似模型流程图。
图6是本发明的综合优化流程图。
图7是本发明的连接结构设计变量图。
图8是本发明的连接结构设计变量图。
图9是本发明的复合材料夹层板连接结构示意图。
图中：1为复合材料夹层板，2为复合材料连接件，3为复合材料加强筋，1A为玻璃纤维布，1B为PVC泡沫芯子。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式：
如图1至图9，一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。
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。
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，如图1。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(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
4)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，复合材料夹层板的截面如图2所示。
5)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，复合材料连接件的截面如图3所示。
6)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，复合材料加强筋的截面如图4所示。
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：
7)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；
8)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。
9)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。
10)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，近似模型流程如图5所示。
11)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+(σ13/S13)2＜1
(σ11/YC)2+(σ12/S12)2+(σ13/S13)2＜1
(σ33/ZC)2+(σ13/S13)2+(σ23/S23)2＜1
F(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；
12)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，综合优化流程如图6所示。
应用实例
以规格为560×170×72mm的复合材料夹层板为实施例，对本发明进行说明。
1.此次实施例的纤维布铺层数为10层，单层厚度为0.226mm，初设L1为35mm，根据阶梯槽L1和H1的函数关系式可知，H1约为15mm；
2.根据复合材料夹层板阶梯槽的尺寸设计相应的复合材料连接件的尺寸和复合材料加强筋的尺寸；
3.对初定尺寸的复合材料夹层板、复合材料连接件和复合材料加强筋在ABAQUS中进行三维实体建模、划分网格、施加四点弯曲边界条件，并调用三维Hashin子程序进行数值模拟；
4.利用ISIGHT集成ABAQUS对初定连接结构进行多目标尺寸优化；
5.对连接结构进行基于四阶响应面法采样，建立可信度高的近似模型；
6.根据复合材料连接结构使用的工况与安装条件，确定设计变量、约束条件及目标函数，建立优化模型，复合材料连接结构多目标优化参数设计如下：
设计变量：
X＝(X1，X2，….X8)
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+(σ13/S13)2＜1
(σ11/YC)2+(σ12/S12)2+(σ13/S13)2＜1
(σ33/ZC)2+(σ13/S13)2+(σ23/S23)2＜1
5≤X1≤20
5≤X2≤20
5≤X8≤20
30≤X4≤55
30≤X6≤55
30≤X6≤55
100≤X7≤180
320≤X8≤450
70≤X9≤95
F(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＝4，W2＝1，S1＝1，S2＝1；
X为设计变量，具体地，设计变量如图7和图8所示；
7.优化算法采用的是多岛遗传算法和二次序列算法的综合优化算法进行寻优。
通过软件自动寻优，对多目标优化后各设计变量对比如表1所示。
表1
表2为多目标优化改进前后连接结构各性能参数比较。
表2
结构总重量/kg 结构最大承载力/KN
原结构 8.2 68
多目标优化后 7.0 106.4
绝对增加量 -1.2 38.4
相对增加量％ -14.6 56.4
由表2可以看出，多目标优化后，结构重量减轻了1.2kg，而结构最大承载力提高了38.4KN，综合优化效果明显。
为了验证连接结构模拟的准确性，根据优化后的连接结构尺寸，利用VARI成型工艺，通过玻璃纤维布1A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如图9所示。
为了增强复合材料加强筋和复合材料夹层板之间的结合力，复合材料加强筋和复合材料夹层板连接的连接面为一经过粗化处理的粗化面。这样，可以加大所述复合材料加强筋和复合材料夹层板之间的摩擦，增强所述复合材料加强筋和复合材料夹层板之间的结合力。
其中，在真空成型工艺中使用的树脂体积与纤维的体积比为1:1，树脂与固化剂、促进剂的体积比为100:3:0.7。
根据ASTMD5476标准，对已制备的复合材料夹层板连接结构设计四点弯曲实验，得到位移载荷曲线。
实验和模拟优化后的数据对比如下表3。
表3
从表3中的误差值可以看出，模拟数值具有较高可信度，本发明采用的优化设计方法效果明显。
综上，采用本发明提出的新型无金属连接件的复合材料夹层板的连接结构及设计方法，可以在复合材料主体结构尺寸不变的情况下，保证连接结构电磁波隐身的有效性、水密性和气密性，同时，实现结构承载力和结构总重量综合目标最优。
以上所述为本发明较佳实施例，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明保护范围。

Claims (3)

1.一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＜1
F(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。
2.根据权利要求1所述的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，其特征是复合材料夹层板连接结构包括玻璃纤维布(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。
3.根据权利要求1所述的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，其特征是复合材料夹层板连接结构包括玻璃纤维布(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。
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CN106080957B (zh) * 2016-06-13 2019-02-19 中国人民解放军海军工程大学 一种用于潜水器的夹心复合材料耐压壳
CN105904801A (zh) * 2016-07-05 2016-08-31 深圳市飞博超强新材料有限公司 一种具有夹心结构的复合板及其制造方法
CN106183238A (zh) * 2016-07-19 2016-12-07 官忠伟 一种具有夹心结构的复合板及其制备方法
CN109823468B (zh) * 2018-08-29 2023-09-08 江苏科技大学 一种船用t形分布夹层板连接组件及安装方法
CN109190284A (zh) * 2018-09-20 2019-01-11 中国科学技术大学 一种用于断裂相场模拟的混合网格自适应方法
CN110442982B (zh) * 2019-08-09 2021-10-12 南京工业大学 一种复合材料用单边抽钉铆钉结构及其设计方法
CN113011057B (zh) * 2021-02-22 2023-04-07 河南农业大学 基于胶层梯度退化的老化后粘接结构性能预测方法、系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100587197C (zh) * 2004-05-10 2010-02-03 邱则有 一种现浇砼用模壳构件
US8728603B2 (en) * 2006-12-11 2014-05-20 Ulrich Windmöller Consulting GmbH Floor panel
CN205326421U (zh) * 2016-01-20 2016-06-22 南京工业大学 一种新型的无金属连接件的复合材料夹层板连接结构

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