[发明专利]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

说明书

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：