本申請(qǐng)屬于復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、復(fù)合材料由于其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度、疲勞等性能優(yōu)勢(shì)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛采用。隨著結(jié)構(gòu)承載能力及輕量化要求的提高，使用復(fù)合材料制成的薄壁結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜。在航空航天的復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)中，往往可以劃分出多個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)根據(jù)其所承受的載荷形式優(yōu)化出不同的厚度。由于復(fù)合材料鋪層中的纖維是傳力的主體，單獨(dú)設(shè)計(jì)每個(gè)厚度分區(qū)會(huì)導(dǎo)致分區(qū)連接處部分鋪層被切斷，稱為丟層，導(dǎo)致鋪層傳力不連續(xù)，造成邊界處應(yīng)力集中、復(fù)合材料基體破壞，影響結(jié)構(gòu)的承載能力。

2、目前的丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，往往采用智能優(yōu)化算法或設(shè)計(jì)丟層序列對(duì)變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鋪層序列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法在計(jì)算求解效率方面較低，引入工程約束后收斂困難。

3、因此，希望有一種技術(shù)方案來(lái)克服或至少減輕現(xiàn)有技術(shù)的至少一個(gè)上述缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)的目的是提供了一種基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的至少一個(gè)問(wèn)題。

2、本申請(qǐng)的技術(shù)方案是：

3、一種基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括：

4、步驟一、構(gòu)建復(fù)合材料鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)；

5、步驟二、獲取變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多個(gè)鋪層區(qū)域，并確定每個(gè)鋪層區(qū)域的鋪層厚度以及鋪層比例；

6、步驟三、根據(jù)各個(gè)鋪層區(qū)域之間的連接關(guān)系生成連接矩陣，并根據(jù)所述連接矩陣將各個(gè)鋪層區(qū)域中的鋪層劃分為全局共享鋪層、局部共享鋪層以及獨(dú)有鋪層三種類型，確定每個(gè)鋪層區(qū)域中全局共享鋪層的鋪層厚度以及鋪層比例，局部共享鋪層的鋪層厚度以及鋪層比例，獨(dú)有鋪層的鋪層厚度以及鋪層比例；

7、步驟四、在所述復(fù)合材料鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配出與全局共享鋪層的鋪層厚度以及鋪層比例相同的全局共享鋪層順序；

8、在所述復(fù)合材料鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配出與局部共享鋪層的鋪層厚度以及鋪層比例相同的局部共享鋪層順序；

9、在所述復(fù)合材料鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配出與獨(dú)有鋪層的鋪層厚度以及鋪層比例相同的獨(dú)有鋪層順序；

10、步驟五、選取一組全局共享鋪層順序、局部共享鋪層順序以及獨(dú)有鋪層順序生成整體鋪層順序；

11、步驟六、根據(jù)所述整體鋪層順序構(gòu)建變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型；

12、步驟七、判斷所述變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型的各個(gè)鋪層區(qū)域是否同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求；

13、若是，保留整體鋪層順序；

14、計(jì)算保留的整體鋪層順序?qū)?yīng)的所述變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型的質(zhì)量；

15、返回步驟五，重新選取一組全局共享鋪層順序、局部共享鋪層順序以及獨(dú)有鋪層順序生成新的整體鋪層順序，直至遍歷全局共享鋪層順序、局部共享鋪層順序以及獨(dú)有鋪層順序的所有組合，篩選出質(zhì)量最小的所述變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型對(duì)應(yīng)的整體鋪層順序。

16、在本申請(qǐng)的至少一個(gè)實(shí)施例中，步驟一中，采用雙等基因遺傳算法構(gòu)建復(fù)合材料鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)，其中，約束條件包括：均衡性約束、對(duì)稱性約束、外表面±45度約束、連續(xù)鋪層數(shù)約束、鋪層比例約束；

17、適應(yīng)度函數(shù)包括：壓縮適應(yīng)度函數(shù)、剪切適應(yīng)度函數(shù)；

18、罰函數(shù)包括：連續(xù)鋪層罰函數(shù)、外表面±45度罰函數(shù)、相鄰鋪層角罰函數(shù)。

19、在本申請(qǐng)的至少一個(gè)實(shí)施例中，步驟二中，獲取變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多個(gè)鋪層區(qū)域，并確定每個(gè)鋪層區(qū)域的鋪層厚度以及鋪層比例，包括：

20、獲取變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多個(gè)鋪層區(qū)域；

21、將變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的各個(gè)鋪層區(qū)域設(shè)置為均衡對(duì)稱層合板結(jié)構(gòu)；

22、確定各個(gè)鋪層區(qū)域的初始鋪層厚度以及鋪層比例；

23、將變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的各個(gè)鋪層區(qū)域的鋪層順序由外表面到中面依次設(shè)置為0°鋪層、+45°鋪層、-45°鋪層、90°鋪層；

24、構(gòu)建變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)所述變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化，輸出同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求的各個(gè)鋪層區(qū)域的鋪層厚度以及鋪層比例；

25、對(duì)各個(gè)鋪層區(qū)域的鋪層厚度進(jìn)行圓整，得到各個(gè)角度鋪層的鋪層數(shù)目。

26、在本申請(qǐng)的至少一個(gè)實(shí)施例中，步驟三中，所述連接矩陣為n×n矩陣，n為鋪層區(qū)域數(shù)量；

27、在所述連接矩陣中：

28、通過(guò)第一標(biāo)識(shí)符表示兩個(gè)鋪層區(qū)域之間具有連接關(guān)系；

29、通過(guò)第二標(biāo)識(shí)符表示兩個(gè)鋪層區(qū)域之間不具有連接關(guān)系。

30、在本申請(qǐng)的至少一個(gè)實(shí)施例中，步驟三中，鋪層區(qū)域中的全局共享鋪層為所有鋪層區(qū)域中共有的鋪層；

31、鋪層區(qū)域中的局部共享鋪層為該鋪層區(qū)域中與其他具有連接關(guān)系的鋪層區(qū)域共有的鋪層；

32、鋪層區(qū)域中的獨(dú)有鋪層為該鋪層區(qū)域中獨(dú)有的鋪層。

33、在本申請(qǐng)的至少一個(gè)實(shí)施例中，步驟六中，根據(jù)所述整體鋪層順序構(gòu)建變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型，包括：

34、獲取初始有限元模型；

35、根據(jù)所述整體鋪層順序在所述初始有限元模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型。

36、在本申請(qǐng)的至少一個(gè)實(shí)施例中，步驟七中，判斷所述變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型的各個(gè)鋪層區(qū)域是否同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求；

37、若是，在保留整體鋪層順序之前還包括：

38、減少設(shè)計(jì)裕度滿足要求的鋪層區(qū)域中獨(dú)有鋪層的鋪層數(shù)目，得到調(diào)整后的整體鋪層順序，根據(jù)調(diào)整后的整體鋪層順序構(gòu)建變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型，判斷所述變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型的各個(gè)鋪層區(qū)域是否同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求，若是，保留調(diào)整后的整體鋪層順序，若否，保留調(diào)整前的整體鋪層順序。

39、在本申請(qǐng)的至少一個(gè)實(shí)施例中，步驟七中，判斷所述變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型的各個(gè)鋪層區(qū)域是否同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求；

40、若否，增加不能同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求的鋪層區(qū)域中獨(dú)有鋪層的鋪層數(shù)目，得到調(diào)整后的整體鋪層順序，根據(jù)調(diào)整后的整體鋪層順序構(gòu)建變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型，判斷所述變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型的各個(gè)鋪層區(qū)域是否同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求，若是，保留調(diào)整后的整體鋪層順序，若否，刪除調(diào)整前的整體鋪層順序。

41、發(fā)明至少存在以下有益技術(shù)效果：

42、本申請(qǐng)的基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠快速實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了工程鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)勢(shì)，避免了丟層處理優(yōu)化算法的效率低等問(wèn)題，為大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了高效的手段。

技術(shù)特征：

1.一種基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟一中，采用雙等基因遺傳算法構(gòu)建復(fù)合材料鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)，其中，

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟二中，獲取變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多個(gè)鋪層區(qū)域，并確定每個(gè)鋪層區(qū)域的鋪層厚度以及鋪層比例，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟三中，

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟三中，

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟六中，根據(jù)所述整體鋪層順序構(gòu)建變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟七中，判斷所述變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型的各個(gè)鋪層區(qū)域是否同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟七中，判斷所述變厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型的各個(gè)鋪層區(qū)域是否同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求；

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，本申請(qǐng)的基于鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用雙等基因遺傳算法生成滿足工程需求的復(fù)合材料鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)，然后采用有限元方法獲取各個(gè)鋪層區(qū)域的鋪層厚度以及鋪層比例，通過(guò)連接矩陣劃分不同類型鋪層，并確定各個(gè)類型鋪層的鋪層數(shù)據(jù)。通過(guò)在復(fù)合材料鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配鋪層數(shù)據(jù)得到各個(gè)種類鋪層的鋪層順序，采用有限元方法對(duì)鋪層順序進(jìn)行校核驗(yàn)證，得到最優(yōu)的鋪層設(shè)計(jì)方案。本申請(qǐng)能夠快速實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料丟層優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了工程鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)勢(shì)，避免了丟層處理中優(yōu)化算法的效率低等問(wèn)題，為大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了高效的手段。

技術(shù)研發(fā)人員：仲明哲,羅利龍,唐晨,王榆翔,陳姣姣
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30