引言
基于深度学习的复合材料螺栓连接失效峰值载荷的预测方法与传统的有限元预测方法相比,能够节省大量的建模与计算时间,而且可以实现实时在线计算,一旦预测模型建立成功,只需输入想要预测的参数组合,就能很快得到预测结果,非常便捷,同时,在数据库足够大的情况下,预测结果的精度也能够得到保证。
1复合材料的失效判据及刚度退化模型
复合材料的失效模式包含纤维和基体的拉压失效、纤维基体的剪切失效、复合材料的层间失效等。刚度退化方式为：当纤维发生拉伸或压缩破坏时，将E1、μ12、μ13、G12、G13退化为初始值的0.14倍，当基体发生拉伸或压缩失效时，将E22、μ12、μ23、G12、G23退化为初始值的0.2倍，当发生纤维基体的剪切失效时，将μ12、G12退化为初始值的0.05倍，当发生复合材料的分层失效时，将面外弹性系数E33、μ13、μ23、G13、G23退化为初始值的0.05倍。
2螺栓预紧力计算
根据全机气动力计算得到平尾极限工况下气动载荷为Fz=3596N、Fx=21．5N和Fy=－11．4N，并根据CCAＲ23部《正常类飞机适航规定》第23．391条要求操纵面及其支承脚链架需要承受垂直于操纵面的惯性载荷为24Wg，平行于操纵面的惯性载荷为12Wg，其中W为可动操纵面的质量，g为重力加速度。已知升降舵质量为10kg，g取9．8m/s2，升降舵左右共有6个连接脚链架，每个连接脚链架由4个M8航空螺栓与水平安定面纵墙连接，并按照升降舵承受平尾气动载荷的60%和升降舵气动载荷作用点距离每个连接脚链架10cm，计算每个连接脚链架承受的气动载荷。由此得到极限工况下脚链架与单个连接螺栓承受的载荷。根据螺栓受载情况选择强度σb为450MPa，拉断载荷FD为24kN的M8航空铝合金螺栓。在实际使用过程中，会对螺栓施加预紧力，预紧力的合理施加不但可以紧固连接件，还可以提高螺栓的连接疲劳强度。
3夹芯板单钉搭接接头孔周应力分析
将接头的加载方式由在耦合点处施加位移载荷改为施加大小为5kN的集中力，并以螺栓孔轴线与剪切面的交点为坐标原点建立柱坐标系，提取了外载荷为5kN时接头各角度铺层螺栓孔受挤压面接触角度θ为-90°到90°范围内节点的径向应力和周向应力。（1）螺栓孔周的径向应力为负值，这是螺栓孔受到螺杆挤压使得各个角度铺层产生面内压缩导致的，对于0°铺层，孔周径向应力呈对称分布，当θ=0°时，达到峰值，并且随着接触角θ的变大，径向应力值不断降低，最终在θ=±90°时，降至几乎为零。对于±45°铺层，径向应力的分布是不对称的，与0°相似的是，其在近乎θ=±45°的位置（即纤铺层纤维方向）达到峰值，并随着θ向-90°减小、向90°的过程逐渐降低至零。相比较而言，90°铺层的孔周径向应力明显小于其他铺层，和其他铺层相同的是，在接触角θ接近±90°时，径向应力几乎为0，这是因为在螺栓孔未变形前，螺栓与孔周的接触角涵盖从-90°到90°共180°的接触范围，但是随着螺栓孔受挤压发生变形呈近似椭圆状，螺栓与孔周接触的范围也在不断缩小，此时±90°的位置已经不是接触面，因而径向应力大幅降低。（2）对于周向应力，其值为正，是拉伸应力，对于0°铺层，最大周向应力出现在曲线的两端即θ=±90°的位置，当接触角度靠近0°时，周向应力也会随之降低。对于±45°铺层，周向应力分别在近乎45°和-45°的位置达到最大，沿着挤压面呈非对称分布，对于90°铺层，随着θ不断地偏离0°角，其周向应力先上升后下降至峰值。对比挤压面的孔周径向应力，可见周向应力的分布规律恰好与其相反，又因为一点的周向应力与径向应力正交，故可知周向应力最大点处方向也是与铺层纤维方向平行的，这就说明了铺层的纤维方向是孔周径向应力和周向应力的主要承载方向。
4预紧力矩对频率影响试验
正式热振试验前，首先研究各连接方式下常温螺栓预紧力对频率的影响。试验采用的螺母为自锁螺母，在拧入过程中，自锁螺母存在一定的初始力矩。将正好能使2块板接触上的力矩定义为自锁螺母的初始力矩，在此基础上，增加0、1、2、3、4、5、10、15、20N·m，在每个预紧力矩下进行量级为0.1g、频率范围为50~2000Hz、2oct/min扫频速率的正弦扫频。采用激光测振仪测量自由端小板头部的1阶固有频率，然后进行3min随机振动，随机振动载荷依据结构在工作状态下的典型载荷谱确定。
5深度学习预测模型
使用深度学习方法预测层合板失效峰值载荷的具体过程如下:(1)首先是获得构建深度学习预测模型的数据:在之前验证过有效性的有限元模型的基础上,通过改变螺栓直径、摩擦因数、铺层方式、螺栓预紧力这4个参数的组合方式,共有3×3×4×3=108种不同的组合方式,使用有限元软件分别算出每一种组合对应的失效峰值载荷,得到108组数据,76组数据作为训练数据组,32组数据作为测试数据组。(2)深度学习模型由Python深度学习库构建,其中可以调整六个参数、人工神经网络隐藏层的数量、神经元的数量、激活函数、优化器、训练时期和学习速率,以开发不同的模型。隐藏层数与样本数之间没有直接的函数关系,只能用逐个测试的方法来确定最佳隐藏层数。
结束语
夹芯板单钉单搭接接头0°、90°铺层的孔周应力大体上呈对称式分布，45°、-45°铺层的孔周应力分布不对称；铺层的最大孔周径向应力和周向应力方向均与铺层纤维方向保持一致。夹芯板单钉双剪搭接接头的极限承载力相比单剪搭接接头提升了7.8%，且其螺栓孔壁在厚度方向上损伤分布更加均匀。
参考文献
[1]卢嘉鹏.复合材料夹芯板螺栓连接特性分析[D].武汉理工大学,2021
[2]马森,赵启林.复合材料波纹夹芯板成型工艺及其端部连接性能研究[J],2019
[3]陈夏良.复合材料夹芯板沉头螺栓连接的强度研究[D]2019
