[發明專利]具有低面重量的多板層層狀復合材料

有效

• 申請號: 201680003188.2
• 申請日: 2016-08-10
• 公開（公告）號: CN106796617B
• 公開（公告）日: 2018-09-25
• 發明（設計）人: 德哈瑞克·S·馬拉普朗加德;特奧法尼斯·西奧法努斯;尼基爾·韋爾蓋斯
• 申請（專利權）人: 沙特基礎工業全球技術公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;B32B39/00;B32B41/00
• 代理公司: 北京柏杉松知識產權代理事務所(普通合伙) 11413
• 代理人: 謝攀;劉繼富

全局優化工具可以被用于預測多板層層狀復合材料的特性，作為一個或更多個連續變量和/或一個或更多個二進制變量的條件。例如，全局優化工具可以預測復合材料在用于板層的每個層的大范圍纖維取向角度下的特性。優化工具可以包括求解混合整數非線性規劃(MINLP)模型以獲得關于目標、比如面重量和成本進行優化的多板層層狀復合材料設計。因此，全局優化工具能夠識別與通過現有技術試錯法或試探算法識別的復合材料設計相比具有更低面重量和/或更低成本的復合材料設計。當復合材料設計被識別為滿足被輸入到全局優化工具的特定標準時，該復合材料設計可以被制造。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2015年8月11日提交的、美國臨時專利申請第62/203,539號的優先權權益，所述申請通過引用整體地并入本文中。

公開領域

本公開涉及多板層層狀復合材料。更具體地，本公開涉及具有較低面重量和/或成本的多板層層狀復合材料的設計和制造。

背景

與常規結構材料、例如金屬和陶瓷相比，纖維增強復合材料能夠提供較低的重量密度和較大的機械剛度及強度。到目前為止，纖維增強復合材料已經主要在國防和航天部門中得到應用，其中在不損失機械性能的情況下的重量減小是主要關注點。除了這些應用，在大體積應用、例如汽車制造中，對以纖維增強復合材料代替金屬作為結構材料有著漸增的興趣。這種漸增的興趣是由于幾個因素，包括對減少環境占用面積和滿足關于材料重量的消費預期的需求。纖維增強復合材料與金屬相比的一個特征是允許針對具體應用來定制復合材料的固有各向異性的力學響應。特別地，復合材料的聚合性質為設計者提供許多材料和幾何自由度，這能夠被用于減小復合材料的重量。

然而，復合材料的聚合性質還對復合材料的設計和制造造成了挑戰。在非復合系統中，材料的選取通常僅涉及單個變量：材料。即，當為系統選擇金屬時，設計者僅需要從可供使用的、有限數量的金屬中選取一種金屬。金屬通常不層疊在一起。雖然金屬能夠一起合金化，但是有標準合金供在市場之外購買。另外，即使金屬會層疊在一起，單個層也具有與復合材料相比有限的選擇。例如，復合材料的每個層中的纖維能夠以不同方向取向。金屬是各向同性的，并且因此沒有用于取向金屬層的優選方向。因此，用于設計系統的常規材料工具對復合材料設計者幫助很少。

設計者因此不得不依賴于使用先前經驗或試探法結合實驗測試的試錯法復合材料設計方法。這些設計方法集中了資源并且在能夠被研究和測試的設計的數量上施加了實際限制。因此，通過這些設計方法產生的所得復合材料設計非常不可能是針對任何特定應用的最佳方案。例如，所得復合材料可能不具有針對特定應用的最低的可能重量或成本。

發明內容

用于設計多板層層狀復合材料的更好方法可以允許從復合材料內的多種配置中的多種材料中進行選取。然而，可用于復合材料內的板層的材料和配置的幾乎無限制的選擇使得復合材料設計的模擬和/或優化效率低。然而，使用某些模型的優化工具能夠在系統地完全搜索幾乎無盡的可用配置選項之后快速篩選具有特定屬性的最優值的復合材料設計。全局優化工具可以被用于作為一個或更多個連續變量和/或一個或更多個二進制變量的條件來預測多板層層狀復合材料的特性。例如，全局優化工具可以預測復合材料的在板層的每個層的大范圍纖維取向角度下的特性。因此，全局優化工具能夠識別具有與通過現有技術的試錯法或試探法算法來識別的復合材料設計相比更低的面重量和/或更低成本的復合材料設計。當復合材料設計被識別為滿足被輸入到全局優化工具的特定標準時，該復合材料設計可以被制造。

在一個實施例中，可以求解混合整數非線性規劃(MINLP)模型以利用全局優化工具獲得多板層層狀復合材料設計。所提出的MINLP模型可以包括這些特征中的一個或更多個：i)從用于每個板層的多種纖維和樹脂材料中進行選擇的能力，ii)與制造限制一致的層厚度的離散值，和iii)確保設計不超過設計者施加的實際應變和曲率限制。在某些實施例中，MINLP模型可以擴充以用公式表示多目標優化問題，該問題考慮重量和可以表示制造復合材料的成本的第二目標。