[發(fā)明專利]一種變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)高效優(yōu)化方法

有效

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• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107220461B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝鵬;袁梟桀;王雨田;劉晨;王博;牛飛
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發(fā)明涉及航空航天結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，提供一種變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)高效優(yōu)化方法，該設(shè)計方法基于等幾何方法完成變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的曲線纖維路徑精確建模及屈曲分析，建立其等幾何屈曲設(shè)計模型，推導(dǎo)變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)屈曲響應(yīng)的全解析靈敏度，并利用梯度類算法對變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行纖維路徑的高效優(yōu)化，得到滿足工藝制造約束的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明能夠顯著提高變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的承載效率，大幅降低產(chǎn)品研發(fā)周期。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空航天結(jié)構(gòu)中承力結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)高效優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

航天器承力結(jié)構(gòu)輕量化可以減少制造結(jié)構(gòu)所需的資源和能耗，這無疑能減少巨大的成本。由于較高的比剛度和比強(qiáng)度，復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代航天工業(yè)復(fù)雜載荷承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中愈發(fā)普遍。目前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板多采用平行順直纖維鋪放成型，且同層的纖維角度固定。考慮到制造工藝性約束，工程中常采用0°、90°和±45°的鋪層方向，鋪層纖維缺乏更為豐富的空間分布形式，也使結(jié)構(gòu)的設(shè)計空間受限，不能完全發(fā)揮復(fù)合材料板殼的承載優(yōu)勢。

隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，纖維自動鋪放技術(shù)使得纖維路徑為曲線的變剛度復(fù)合材料板殼的制備成為可能。國外的纖維自動鋪放技術(shù)發(fā)展很快，有較多的大型纖維鋪放機(jī)投入使用。相比之下，國內(nèi)的纖維鋪放成型技術(shù)和裝備尚處于原理性研究和工程樣機(jī)研制階段。國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和設(shè)備水平的提升，為纖維鋪放技術(shù)創(chuàng)造了基本條件。

相比變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的制造，其纖維路徑設(shè)計也充滿挑戰(zhàn)。對于復(fù)合材料薄壁板殼結(jié)構(gòu)，其抗屈曲性能直接決定了結(jié)構(gòu)服役安全。但在傳統(tǒng)的基于有限元方法的變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)屈曲分析中，由于單元離散導(dǎo)致變剛度設(shè)計中的纖維鋪層角度不再連續(xù)光滑。該處理方式在分析大型結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為時將可能導(dǎo)致嚴(yán)重的預(yù)測誤差。為保證仿真計算的結(jié)果精度，只能采用增加單元數(shù)和節(jié)點數(shù)的方式，導(dǎo)致模型自由度數(shù)超高、分析效率低下。更重要的是，由于傳統(tǒng)有限元方法無法提供解析靈敏度信息，只能采用差分方法來近似計算，導(dǎo)致計算量極大且容易陷入局部最優(yōu)解，常導(dǎo)致優(yōu)化失敗，難以挖掘變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的承載潛力。因此，現(xiàn)有的變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法無法實現(xiàn)曲線纖維路徑的快速設(shè)計，即使應(yīng)用代理模型技術(shù)，直接導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計能力不足、產(chǎn)品研發(fā)周期極長。相比之下，等幾何方法利用NURBS基函數(shù)和控制點代替?zhèn)鹘y(tǒng)有限元方法中的形函數(shù)和節(jié)點，使結(jié)構(gòu)的設(shè)計、分析和優(yōu)化模型具有相同的幾何描述，使得CAD和CAE納入到統(tǒng)一的框架下。等幾何方法容易構(gòu)造高階協(xié)調(diào)單元，特別適合研究對近似函數(shù)有高階連續(xù)性要求的曲線鋪層問題，可推導(dǎo)獲得全解析的靈敏度信息，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供高效手段。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要解決現(xiàn)有技術(shù)中變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計效率低的技術(shù)問題，提出一種針對變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的高效優(yōu)化方法，達(dá)到顯著提高變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的承載效率、大幅降低產(chǎn)品研發(fā)周期的目的。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案為：

一種變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)高效優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟100，建立變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的等幾何屈曲設(shè)計模型，包括以下子步驟：

步驟101，對特定的曲線纖維鋪層，基于等幾何方法實現(xiàn)纖維路徑的參數(shù)化；所述的曲線纖維鋪層包括：線性梯度函數(shù)、高階曲面等高線函數(shù)、高階Bézier曲線函數(shù)、拉格朗日多項式函數(shù)等。

步驟102，建立控制點角度與全場纖維路徑的映射關(guān)系，并進(jìn)行收斂性分析，較有限元方法以較少的計算時間保證屈曲分析的精確性。

步驟103，選定設(shè)計變量，建立變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的等幾何屈曲設(shè)計模型，得到等幾何分析所需的輸入數(shù)據(jù)；所述的設(shè)計變量為描述纖維路徑的函數(shù)以及參數(shù)變量，所述的參數(shù)變量為描述纖維路徑的角度。