本發(fā)明屬于復合材料損傷修復，具體涉及一種基于粒子群算法的復合材料挖補修復應力優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、先進復合材料以其優(yōu)越的材料、物理性能及可設計性，在航空領域得到了廣泛的應用。先進復合材料的用量，一定程度上成為衡量大型客機、先進戰(zhàn)機的經(jīng)濟性、功能性與先進程度的重要標準之一。特別是近年來國產(chǎn)大型商用客機與大型軍用運輸機主次承力結(jié)構(gòu)廣泛采用先進復合材料。

2、然而材料在服役期間所面臨的環(huán)境復雜性和挑戰(zhàn)性顯著增加。如跑道碎石飛濺、鳥類撞擊風險以及維修作業(yè)中工具的意外跌落，從而導致復合材料結(jié)構(gòu)強度和性能大幅降低。一些典型的沖擊損傷會造成復合材料機身結(jié)構(gòu)劈裂、劃痕、凹坑、穿透損傷。復合材料的損傷修復和延長使用壽命成為了研究熱點。于此同時，航空復合材料結(jié)構(gòu)設計向著一體化、共固化方向發(fā)展，復合材料結(jié)構(gòu)的集成化、大型化趨勢也對損傷修復提出了挑戰(zhàn)。

3、階梯型挖補修復技術作為一種有效的復合材料損傷修復方法，其設計優(yōu)化對于提高修復效果和材料性能具有重要意義。復合材料修復方法中，主要有機械連接修復(通常為鉚接)和膠接修復兩種技術手段。機械連接修復通常能傳遞更大的載荷，它在抗剝離性能方面表現(xiàn)很好，還允許拆卸再裝配。這種方法基本不受外界環(huán)境影響，又沒有膠粘時產(chǎn)生的殘余應力。通常維修較厚的蒙皮時，會使用機械連接維修的方法。但是，機械連接也有諸多缺點。它需要在受損部位周邊開孔，這形成了應力集中區(qū)域，切斷了原有纖維的連續(xù)；對結(jié)構(gòu)的增重也更加明顯。此外，金屬緊固件會發(fā)生電偶腐蝕，抗疲勞性能也會下降。這些都限制了機械連接維修在復合材料維修領域進一步的應用發(fā)展。而膠接修復技術具有良好的連接效率和修復后構(gòu)件表面光滑等優(yōu)良性能，所以被作為一種最常見的修復方法被廣泛應用于航空領域。膠接修理主要包含貼補法和挖補法。貼補法是指去除結(jié)構(gòu)損傷部分后，直接在被修理結(jié)構(gòu)件表面通過膠接修補；而挖補法是先挖去損傷和缺陷部位，再于原處補以新材料的膠接修補。復合材料挖補修理技術具有能恢復結(jié)構(gòu)氣動外形、產(chǎn)生修補應力小、基本不存在偏心荷載和增重小等優(yōu)勢，尤其是對于需要保證兼具高隱身性能的結(jié)構(gòu)件而言，已經(jīng)成為了復合材料的主流修補技術。

4、現(xiàn)有研究在復合材料修復方面取得了顯著進展，但仍存在一些關鍵問題需要解決。首先，傳統(tǒng)的挖補修復設計方法在應力分布優(yōu)化方面存在一定的局限性，特別是在復雜載荷條件下難以達到最佳修復效果。其次，現(xiàn)有的修復方法大多基于均勻階梯設計，忽視了受損區(qū)域的不均勻特性，導致修復后的結(jié)構(gòu)在實際應用中表現(xiàn)出應力集中和疲勞壽命下降的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)修復方法在幾何設計中存在局限性，無法實現(xiàn)最大應力的精確優(yōu)化的問題，提出了一種基于粒子群算法的復合材料挖補修復應力優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的技術方案為：第一方面，一種基于粒子群算法的復合材料挖補修復應力優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、s1.構(gòu)建復合材料層合板非均勻階梯挖補修復三維模型，并利用有限元分析方法進行仿真模擬，得到實際載荷下的應力分布和變形情況；

4、s2.根據(jù)實際載荷下的應力分布和變形情況，構(gòu)建復合材料層合板非均勻階梯挖補修復優(yōu)化模型；

5、s3.利用粒子群優(yōu)化算法對復合材料層合板非均勻階梯挖補修復優(yōu)化模型進行迭代求解，輸出最佳的修復方案，實現(xiàn)復合材料挖補修復最大應力最小化優(yōu)化。

6、本發(fā)明的有益效果是：

7、本發(fā)明根據(jù)實際載荷下的應力分布和變形情況構(gòu)建了復合材料層合板非均勻階梯挖補修復優(yōu)化模型，并通過引入粒子群優(yōu)化算法對復合材料層合板非均勻階梯挖補修復優(yōu)化模型進行迭代求解，實現(xiàn)了最大應力的精確優(yōu)化以及對復合材料損傷的高效修復。

8、作為優(yōu)選，步驟s2中所述復合材料層合板非均勻階梯挖補修復優(yōu)化模型的表述公式為：

9、

10、其中，表示優(yōu)化目標函數(shù)；表示第個可能的修復方案的修復補片第層鋪層與下一層的差值參數(shù)；表示第個可能的修復方案中的復合材料層合板非均勻挖補修復優(yōu)化模型的等效應力值；表示所有可能的修復方案中的最大等效應力值；表示所有可能的修復方案；表示非均勻階梯型挖補修復補片的體積；表示非均勻階梯型挖補修復補片的限制體積；表示第個可能的修復方案的修復補片第層鋪層的體積；表示復合材料層合板鋪層總數(shù)； subject?to表示約束條件； min表示最小化目標函數(shù)。

11、上述優(yōu)選方案的有益效果是：

12、將體積約束作為約束條件，確保了修復材料的使用量不超過預定的體積限制，當粒子代表的修復方案超過體積約束時，該方案將被視為無效，并在后續(xù)的迭代中被排除在搜索范圍之外（其值賦予無窮大），有效地限制了修復材料的使用量，確保了優(yōu)化結(jié)果的實用性。

13、作為優(yōu)選，所述第個可能的修復方案中的復合材料層合板非均勻挖補修復優(yōu)化模型的等效應力值的計算公式為：

14、

15、其中，、和分別表示第個可能的修復方案所修復的復合材料層合板在三個方向的主應力，、和分別表示第個可能的修復方案所修復的復合材料層合板在、和平面法向的切應力。

16、作為優(yōu)選，所述步驟s3具體包括以下分步驟：

17、s31.初始化設計變量挖補參數(shù)和粒子群的種群參數(shù)；其中，所述設計變量挖補參數(shù)包括粒子位置；所述粒子群的種群參數(shù)包括慣性權重和粒子速度；所述粒子表示可能的修復方案；

18、s32.計算復合材料層合板非均勻階梯挖補修復優(yōu)化模型的目標函數(shù)；

19、s33.將目標函數(shù)作為一個多維的搜索空間，并在該搜索空間內(nèi)計算更新后的慣性權重；

20、s34.基于更新后的慣性權重，計算更新后的粒子速度和粒子位置；

21、s35.判斷是否達到預設的最大迭代次數(shù)，若是，流程結(jié)束，并輸出最佳的修復方案，實現(xiàn)復合材料挖補修復最大應力最小化優(yōu)化；若否，更新返回步驟s32。

22、作為優(yōu)選，步驟s33中所述更新后的慣性權重的計算公式為：

23、

24、其中，表示初始慣性權重；表示迭代至最大迭代步數(shù)時的權重；表示最大迭代步數(shù)；表示當前迭代步數(shù)。

25、作為優(yōu)選，步驟s34中所述更新后的粒子速度的計算公式為：

26、

27、其中，表示更新后的粒子速度；表示更新前的粒子速度，即第個可能的修復方案的修復補片第層鋪層的體積；和表示加速因子，表示0和1之間的隨機數(shù)；表示更新前的粒子位置，即第個可能的修復方案的修復補片第層鋪層與下一層的差值參數(shù)；表示個體歷史最優(yōu)值；表示全局歷史最優(yōu)值；表示更新后的慣性權重。

28、作為優(yōu)選，步驟s34中所述更新后的粒子位置的計算公式為：

29、

30、其中，表示更新后的粒子位置；表示更新前的粒子位置，即第個可能的修復方案的修復補片第層鋪層與下一層的差值參數(shù)；表示更新后的粒子速度。

31、上述優(yōu)選方案的有益效果是：

32、通過上述優(yōu)選方案，引入粒子群優(yōu)化算法，高效優(yōu)化修復參數(shù)。通過迭代更新粒子的位置和速度逐步逼近最優(yōu)解，動態(tài)調(diào)整權重系數(shù)，平衡全局搜索與局部搜索能力，提升了算法收斂速度和解的質(zhì)量。

33、第二方面，一種基于粒子群算法的復合材料挖補修復應力優(yōu)化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括處理器，所述處理器用于執(zhí)行如第一方面所述的基于粒子群算法的復合材料挖補修復應力優(yōu)化方法。

34、第三方面，一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)存儲計算機指令，響應于計算機讀取存儲介質(zhì)中的計算機指令后，計算機執(zhí)行如第一方面所述的基于粒子群算法的復合材料挖補修復應力優(yōu)化方法。