[發明專利]一種考慮載荷與材料分散性的復合材料結構可靠性優化設計方法

有效

• 申請號: 201611034234.3
• 申請日: 2016-11-16
• 公開（公告）號: CN106777880B
• 公開（公告）日: 2018-07-03
• 發明（設計）人: 王曉軍;樊維超;王睿星;王磊;蔣文婷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G01M13/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

1.一種考慮載荷與材料分散性的復合材料結構可靠性優化設計方法，其特征在于，該方法實現步驟如下：

步驟(1)、根據復合材料結構具有多種失效破壞模式的事實，考慮其主要失效模式即基體破壞和纖維斷裂進行設計；

步驟(2)、由于復合材料強度分散性及載荷加載具有隨機的特性，在進行復合材料設計時，對其材料強度X_T、X_C、Y_T、Y_C、S進行B基準許用值的設計求解，對載荷的隨機特性采用載荷放大系數C_S的方法進行保守設計，其中X_T，X_C分別表示X方向的拉伸和壓縮強度許用值，其中Y_T，Y_C分別表示Y方向的拉伸和壓縮強度許用值，S表示單層板的面內剪切強度許用值；

步驟(3)、初始層合板的結構為[0°/+θ°/-θ°/90°]，層合板面內尺寸為a×b，層合板的層數為n，其中a是纖維方向板的長度，b是垂直纖維方向板的長度，單層板的相對厚度為d_i,i＝1,2,…,n，其中d_i為第i層的厚度，0°方向為纖維方向，也即X方向，90°方向為面內垂直纖維方向也即Y方向；

步驟(4)、針對確定性復合材料層合板建立求解模型，初始考慮鋪層角度為45°，也即θ＝45°，在面內拉伸載荷N_X,N_Y及面內剪切N_XY下進行復合材料應力求解，得出其三個主要方向應力σ_T,σ_L,σ_S，然后通過最大應力強度準則對結構進行約束，求解出第i單層板的初始相對厚度(d_i)₀，優化模型為：

其中，M為優化目標函數，(d_i)₀為第i單層板的初始相對厚度，n為單層板的層數，g_m,g_f分別為基體破壞極限狀態函數和纖維斷裂模式下的極限狀態函數，g_m≥0&g_f≥0表示單層板在該種失效模式下是安全的，基體破壞極限狀態函數g_m表達式為：

纖維斷裂模式下的極限狀態函數g_f表達式為：

上述兩個式子中：F_LL＝1/(X_TX_C),F_TT＝1/(Y_TY_C),F_SS＝1/S²

其中F_LL,F_TT,F_SS,F_L,F_T,F_LT僅為簡化表達式而產生，無實際物理含義，σ_T,σ_L,σ_S分別表示單層板受載狀態下求解出的最大拉伸、壓縮及剪切應力；

步驟(5)、在上述步驟基礎上，考慮材料強度及載荷的方差影響，通過可靠性分析方法進行單層復合材料層合板的可靠度計算，求得n個單層板的可靠度η₁,η₂…η_n，通過安全強度準則進行層合板可靠度計算，求得整個層合板的可靠度為η₀；

步驟(6)、然后對上述整個層合板進行系統可靠性優化，優化變量為鋪層角度θ及單層板相對厚度d_i，約束條件為整個層合板的可靠度不小于η₀，優化目標為整個層合板的質量M最小，則系統優化模型為：

2.根據權利要求1所述的考慮載荷與材料分散性的復合材料結構可靠性優化設計方法，其特征在于：所述步驟(2)中同時考慮載荷加載的隨機性及材料強度的分散性影響，并通過載荷放大系數和材料B基準許用值進行不確定性的綜合量化，并在此基礎上進行復合材料結構設計。