一种异质材料接头及异质材料接头的中间层设计方法

本发明涉及复合材料结构设计与优化，尤其涉及一种异质材料接头及异质材料接头的中间层设计方法。

背景技术：

1、异质材料由于弹性模量和热膨胀系数等参数的差异，其接头往往表现出较低的连接性能。而在异质材料接头受到热载荷时，接头界面处两相材料的性能差异会导致较大的变形不协调，进而产生较大的热应力，可以达到百兆帕量级。这一现象极大地削弱了异质材料接头在热力载荷下的连接强度。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种异质材料接头及异质材料接头的中间层设计方法，以提高异质材料接头的连接性能。

2、具体
技术实现要素：
如下：

3、第一方面，本发明提供一种异质材料接头的中间层设计方法，所述异质材料接头包括沿厚度方向层叠设置的第一组分层、中间层以及第二组分层，所述中间层为第一组分和第二组分形成的多层复合材料相，所述方法包括：

4、根据有限元分析，计算得到异质材料接头的热应力分布；

5、基于机器学习，确定所述热应力分布中最小热应力所对应的第一组分或第二组分在每层所述复合材料相中的占比；

6、所述热应力包括冯-米赛斯应力σv，最大主应力σm，横向正应力σx，纵向正应力σy或剪应力τxy。

7、可选地，所述根据有限元分析，计算得到异质材料接头的热应力分布，包括：

8、对异质材料接头进行几何建模，得到几何模型；

9、基于所述几何模型，对所述异质材料接头的各个区域进行网格划分，并设置所述第一组分或第二组分在组成中间层的每层所述复合材料相中的占比作为边界条件，以及载荷条件，得到有限元热应力计算程序；

10、在只改变所述第一组分或第二组分在组成中间层的每层所述复合材料相中的占比的情况下，通过所述有限元热应力计算程序，计算得到异质材料接头的热应力分布；

11、所述载荷条件为所述异质材料接头由零应力状态升温180k。

12、可选地，所述基于机器学习，确定所述热应力分布中最小热应力所对应的第一组分或第二组分在每层复合材料中的占比，包括：

13、将所述第一组分或第二组分在每层所述复合材料相中的占比初始化为0.5，根据有限元分析结果，得到异质材料接头的热应力峰值；

14、利用机器学习算法，迭代改变第一组分或第二组分在每层复合材料中的占比，得到热应力峰值最小时，所述第一组分或第二组分在每层复合材料中的占比，以及最小应力值。

15、可选地，所述机器学习算法为遗传算法；所述利用机器学习算法，迭代改变第一组分或第二组分在每层复合材料中的占比，得到热应力峰值最小时，所述第一组分或第二组分在每层复合材料中的占比，以及最小应力值，包括：

16、设置种群大小为20，交叉率为0.5，精英个体为2，初始种群中的每个个体均设置为0.5，以使得第一组分或第二组分在每层复合材料中的占比初始化为0.5；

17、从初始种群开始，计算种群中每个个体的热应力峰值，评估其适应度函数；

18、依照评估结果，施加遗传算子，产生下一代，采用选择算子筛选种群中热应力峰值小的个体；

19、采用交叉算子结合不同个体的信息，以组合不同个体间的材料组分值；

20、采用变异算子产生其他新个体，以探索全局最优解；

21、判断是否达到终止条件，如果达到，得到热应力峰值最小时，所述第一组分或第二组分在每层复合材料中的占比，以及最小应力值；

22、若没有达到，则对下一代种群重复操作，直至热应力峰值最小时，所述第一组分或第二组分在每层复合材料中的占比，以及最小应力值产生。

23、可选地，所述第一组分为高强铝，所述第二组分为铝基碳化硅；所述中间层由层叠设置的第一复合材料相、第二复合材料相、第三复合材料相和第四复合材料相组成；

24、所述中间层中，所述铝基碳化硅或高强铝的占比为，所述异质材料接头的冯-米赛斯应力σv最小时所述铝基碳化硅或高强铝在每层所述复合材料中的占比；所述第一复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为21％；所述第二复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为38％；所述第三复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为57％；所述第四复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为85％。

25、可选地，所述第一组分为高强铝，所述第二组分为铝基碳化硅，所述中间层由层叠设置的第一复合材料相、第二复合材料相、第三复合材料相和第四复合材料相组成；

26、所述中间层中，所述铝基碳化硅或高强铝的占比为，所述异质材料接头的最大主应力σm最小时所述铝基碳化硅或高强铝在每层所述复合材料中的占比；所述第一复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为40％；所述第二复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为25％；所述第三复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为28％；所述第四复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为47％。

27、可选地，所述第一组分为高强铝，所述第二组分为铝基碳化硅，所述中间层由层叠设置的第一复合材料相、第二复合材料相、第三复合材料相和第四复合材料相组成；

28、所述中间层中，所述铝基碳化硅或高强铝的占比为，所述异质材料接头的横向正应力σx最小时所述铝基碳化硅或高强铝在每层所述复合材料中的占比；所述第一复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为15％；所述第二复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为15％；所述第三复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为28％；所述第四复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为39％。

29、可选地，所述第一组分为高强铝，所述第二组分为铝基碳化硅，所述中间层由层叠设置的第一复合材料相、第二复合材料相、第三复合材料相和第四复合材料相组成；

30、所述中间层中，所述铝基碳化硅或高强铝的占比为，所述异质材料接头的纵向正应力σy最小时所述铝基碳化硅或高强铝在每层所述复合材料中的占比；所述第一复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为75％；所述第二复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为75％；所述第三复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为83％；所述第四复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为56％。

31、可选地，所述第一组分为高强铝，所述第二组分为铝基碳化硅，所述中间层由层叠设置的第一复合材料相、第二复合材料相、第三复合材料相和第四复合材料相组成；

32、所述中间层中，所述铝基碳化硅或高强铝的占比为，所述异质材料接头的剪应力τxy最小时所述铝基碳化硅或高强铝在每层所述复合材料中的占比；所述第一复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为32％；所述第二复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为52％；所述第三复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为47％；所述第四复合材料相中，所述铝基碳化硅的占比为69％。

33、第二方面，本发明提供一种包括上述第一方面所述的设计方法获得的异质材料接头。

34、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

35、本发明提供的所述异质材料接头包括沿厚度方向层叠设置的第一组分层、中间层以及第二组分层，所述中间层为第一组分和第二组分形成的多层复合材料，所述方法包括：根据有限元分析，计算得到异质材料接头的热应力分布；基于机器学习，确定所述热应力集合中最小热应力所对应的第一组分或第二组分在每层复合材料中的占比。

36、本发明所提出的异质材料接头的设计方法，通过设计中间层的层数设置以及材料组分分布，使铝基碳化硅或高强铝在中间层中呈非均匀分布，中间层的热膨胀系数在异质材料交界面(沿界面厚度方向)梯度过渡，从而实现异质材料接头热应力最低，并借助复合材料制造工艺，实现梯度中间层制备，对于不同类型异质接头具有普适性。