[發明專利]一種分區變厚度復合材料層合板的設計方法

有效

• 申請號: 201710045439.X
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106874573B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 孫秦;景釗
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

一種分區變厚度復合材料層合板的設計方法，在翼面類結構連續變量的整體優化階段，以質量最輕為目標，以屈曲、變形、強度以及復合材料層合板固定的幾種角鋪層比例關系為約束，通過有限元建模與連續變量數值優化技術，實施整體結構以及復合材料壁板各分區角鋪層比例的優化。在離散變量優化階段，提出了復合材料變厚度蒙皮壁板離散變量優化策略，以實現變厚度壁板的整體鋪層序的設計。設計結果需要保障結構的力學性能和鋪層的最大連續性，同時滿足工程約束和制造要求。本發明能夠實現連續變量與離散變量間優化信息的有機聯系，既能保證連續變量優化結果給出的輕量化及整體力學性能，亦能滿足多類工程約束以及鋪層的最大連續性要求。

技術領域

本發明涉及復合材料層合板設計領域，具體是一種分區變厚度復合材料層合板的設計方法。

適用于飛行器翼面蒙皮類結構分區變厚度復合材料層合壁板的優化鋪層設計方法。

背景技術

纖維增強樹脂基復合材料具有比強度大、比剛度高、熱穩定性優良、疲勞和斷裂特性好以及力學性能可設計強等眾多優越性，一般可使結構重量減輕30％左右。因此，先進復合材料在航空、航天結構上的用量已經成為衡量其先進性的標志。

復合材料層合板結構一般由不同纖維方向的單層薄片疊合而成，所述單層薄片即為層合板的鋪層。工程中由于工藝與力學的原因，層合板各鋪層的纖維方向固定取0°、+45°、-45°、90°四種，所述纖維方向即稱層合板的鋪向角，且鋪層序有嚴格的工程約束要求，這使得復合材料層合結構設計成為一個有約束的離散組合優化問題。飛機翼面結構承受著分布的氣動載荷并從翼尖到翼根形成內力累積效應，這要求翼面蒙皮沿翼尖到翼根以及前緣到后緣是分區變厚度的，以獲得等應力的輕重量設計。飛機翼面復合材料層合板設計的復雜性還在于需要滿足變形、穩定性以及強度等的力學特性，結合分區變厚度與離散化鋪層序約束，這將導致輕重量多約束的高維混合變量優化設計問題。一個層合板結構在固定離散鋪向角條件下，設計變量為角鋪層的整體厚度以及角鋪層的疊層順序，角鋪層的整體厚度又稱為該鋪向角的鋪層組厚度。工程中將整個問題按變量屬性分階段實施優化是一種高效的設計處理方法。

目前最常用的復合材料層合板結構優化設計采用兩階段策略，即將四種角鋪層的整體厚度作為四個連續設計變量，并設定角鋪層整體厚度的鋪層序，在強度、穩定性及變形等約束下實施基于梯度算法的結構重量優化設計；在獲得各角鋪層整體厚度的基礎上，將每一鋪層作為離散變量采用啟發式算法進一步實施滿足工程鋪層約束的鋪層序優化，從而獲得工程有效的結構設計。但現有的兩階段優化策略在技術方法上尚不能實現兩階段的有機聯系，難于得到最優輕質結構設計結果，特別離散變量的鋪層序優化并不能有效滿足工程上變厚度壁板離散鋪層的最大連續性要求及復雜工程約束。同時啟發式算法在解決該問題時，由于高維的離散變量，使得啟發式算法容易陷入局部最優。當變厚度壁板結構的分區較多時，搜索空間呈級數式增長，啟發式算法計算量較大且難于找到最優解。

文獻1“Liu DZ,Toropov VV,Querin OM,Barton DC.Bi-level optimization ofblended composite wing panels.Journal of Aircraft 2011；48:107 118.”公開了一種變厚度復合材料盒式結構的兩階段優化策略：在第一階段以屈曲和應變為約束，以層合板的總質量最輕為目標采用有限元軟件Ansys進行層合板各角鋪層組整體厚度優化；在第二階段采用排列遺傳算法Permutation GA在連續性與工程約束下對變厚度壁板的鋪層序進行優化。但該方法僅僅只應用于9個板塊的變厚度區域，且并未考慮更復雜的工程約束。在第二階段的優化中，需要設置啟發式算法的初始種群大小、代數以及變異參數等，這些參數的設置將直接影響優化結果，如果參數設置不當將造成無法找到最優解。同時在第二階段的層合板融合設計中，共享鋪層融合方法Shared–layer blending method無法應用于更大規模更多分區的變厚度復合材料層合板結構的設計中。所以該方法在變厚度復合材料設計中存在有局限性。