[發(fā)明專利]一種考慮疲勞可靠性的復(fù)合材料鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610136672.4
• 申請(qǐng)日: 2016-03-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105760619B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王曉軍;石慶賀;王磊;王睿星;呂崢;蘇歡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;顧煒

本發(fā)明公開(kāi)了一種考慮疲勞可靠性的復(fù)合材料鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：(1)建立結(jié)構(gòu)有限元模型，依據(jù)載荷的重要形式采用不同的系數(shù)對(duì)各種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行加權(quán)求和，確定載荷工況；(2)選擇結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域以及待選鋪層角度，作為后續(xù)鋪層優(yōu)化的變量；(3)進(jìn)行第1步優(yōu)化，即厚度優(yōu)化。以結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，剛度(結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移)疲勞可靠性作為約束，以結(jié)構(gòu)的重量為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行第一步優(yōu)化；(4)以強(qiáng)度作為約束條件，以強(qiáng)度比作為優(yōu)化目標(biāo)，以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鋪層順序?yàn)閮?yōu)化變量進(jìn)行第二步優(yōu)化。本發(fā)明可以提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性，縮短設(shè)計(jì)周期。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法領(lǐng)域，特別涉及一種靜力覆蓋疲勞的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；

背景技術(shù)

鑒于復(fù)合材料高比強(qiáng)度、高比剛度的優(yōu)越性，現(xiàn)代飛行器中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用率越來(lái)越大，應(yīng)用結(jié)構(gòu)件也從次承力結(jié)構(gòu)(蒙皮結(jié)構(gòu))逐步擴(kuò)展到主承力結(jié)構(gòu)(框、梁等結(jié)構(gòu))。全復(fù)合材料飛行器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)較之前傳統(tǒng)金屬為主、復(fù)合材料為輔的飛行器結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)難度、工作量上具有大幅度的增加，而受復(fù)合材料固有的分散性與載荷不確定性的影響，結(jié)構(gòu)的可靠性有所降低。因此，如何綜合考慮各種不確定因素，研究其對(duì)復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、疲勞壽命的影響成為型號(hào)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

二級(jí)優(yōu)化是現(xiàn)有鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)中較常使用的方法，即第一步對(duì)各個(gè)優(yōu)化區(qū)域的超級(jí)層厚度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的約束條件是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，優(yōu)化目標(biāo)是結(jié)構(gòu)的重量，然后對(duì)第一步優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行圓整，得到整體的鋪層數(shù)；第二步采用遺傳算法對(duì)整個(gè)復(fù)合材料的鋪層順序進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度比，約束條件是工藝原則。

疲勞分析是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析非常重要的一個(gè)方面，然而，通過(guò)試驗(yàn)分析對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞特性分析十分復(fù)雜，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)導(dǎo)致價(jià)格十分昂貴，并且試驗(yàn)分散性較大。在現(xiàn)有的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)中鮮有計(jì)及結(jié)構(gòu)疲勞特性的因素。然而，由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)要求長(zhǎng)周期的使用壽命，因此，在對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中考慮疲勞因素顯得尤為重要。以下介紹靜強(qiáng)度覆蓋疲勞方法：

對(duì)最大循環(huán)應(yīng)力與失效概率之間的關(guān)系式，當(dāng)給定疲勞壽命N和存活率P時(shí)最大循環(huán)應(yīng)力的表達(dá)式：

式(1)的解即為最大循環(huán)應(yīng)力S^*＝f(N,P)。滿足給定疲勞壽命N和存活率P的初始強(qiáng)度R^*(0)：

上式表明了剩余強(qiáng)度理論聯(lián)系的靜強(qiáng)度和疲勞壽命下的通過(guò)給定疲勞壽命N和存活率P時(shí)所求得的初始強(qiáng)度值R^*(0)，c、K、b都是試驗(yàn)常數(shù)，可以通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)參數(shù)估計(jì)確定。又在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)靜強(qiáng)度試驗(yàn)可確定一個(gè)靜強(qiáng)度極限σ_b，則以R^*(0)和σ_b為邊界的強(qiáng)度取值可作為復(fù)合材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，此靜強(qiáng)度值達(dá)到了覆蓋疲勞強(qiáng)度的目的。

圖1清晰的反應(yīng)出靜強(qiáng)度覆蓋疲勞的原理。由剩余強(qiáng)度原理與靜強(qiáng)度滿足的二參數(shù)Weibull分布，根據(jù)給定壽命時(shí)最大循環(huán)應(yīng)力和失效的概率關(guān)系，將給定疲勞壽命N和存活率P代入式(1)計(jì)算出滿足疲勞壽命和存活率的最大循環(huán)應(yīng)力值S^*，然后由變形后的剩余強(qiáng)度式(2)求出初始強(qiáng)度R^*(0)。

當(dāng)確定了許用應(yīng)力[S]時(shí)，根據(jù)一定的疲勞壽命將確定一條初始強(qiáng)度R^*(0)分布曲線，當(dāng)復(fù)合材料要保證疲勞壽命不低于N時(shí)，其初始靜強(qiáng)度必須不低于N所對(duì)應(yīng)的初始強(qiáng)度R^*(0)。同時(shí)復(fù)合材料必須滿足靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求σ_b。從而在此區(qū)間內(nèi)取值即可滿足復(fù)合材料疲勞壽命和靜強(qiáng)度兩方面的要求，達(dá)到靜強(qiáng)度覆蓋疲勞的目的。

復(fù)合材料靜強(qiáng)度覆蓋疲勞的主要計(jì)算步驟如下：

(1)采用矩估計(jì)法對(duì)靜強(qiáng)度二參數(shù)Weibull分布的參數(shù)m與σ₀進(jìn)行估計(jì)：