[發明專利]變剛度復合材料板殼結構建模分析與可靠度優化設計方法

有效

• 申請號: 201710817832.6
• 申請日: 2017-09-13
• 公開（公告）號: CN107526898B
• 公開（公告）日: 2019-12-27
• 發明（設計）人: 郝鵬;王雨田;劉晨;袁梟桀;王博;劉宏亮;楊迪雄;李剛;王斌;蔣亮亮
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 21200 大連理工大學專利中心
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發明涉及結構可靠度優化領域，提供一種變剛度復合材料板殼結構建模分析與可靠度優化設計方法，包括：利用一次可靠性近似方法、非線性近似函數以及二次可靠性近似方法對變剛度復合材料板殼結構進行高效可靠度優化。利用非均勻有理B樣條函數對變剛度復合材料板殼纖維鋪設路徑進行精確建模；對變剛度板殼結構進行等幾何分析，包括：基于等幾何方法對變剛度板殼結構進行線性屈曲分析，推導設計變量以及隨機變量對結構響應的全解析靈敏度。本發明能夠實現變剛度復合材料板殼結構的建模、分析與可靠度優化的無縫對接，顯著提高其可靠度優化效率及準確性，大幅縮短研發周期。

技術領域

本發明屬于結構力學分析方法與結構可靠度優化設計技術領域，涉及一種變剛度復合材料板殼結構精確建模分析與可靠度優化一體化設計方法。

背景技術

航空航天結構追求性能第一的特點，使其成為先進復合材料技術的率先實驗和轉化的戰場，提高復合材料用量對促進航空航天裝備的輕量化和高性能化起到了至關重要的作用。受到傳統制造工藝約束，目前纖維增強復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，工程中常采用0°、90°和±45°的鋪層方向，使得設計空間受限。相比之下，變剛度設計中同層的纖維鋪放路徑是連續曲線所示，其纖維路徑可根據實際承載需求，提高或降低局部區域的強度和剛度，改善鋪層平面內的應力分布，從而有效提高整體結構性能(如屈曲荷載和破壞強度)，已應用于國外飛行器機身結構、異型截面機翼結構等設計中。NASA認為結構彈性剪裁是實現未來亞音速飛行器低成本、輕量化的關鍵技術之一，即設計者可利用具有高強度和穩定性約束的材料，使承力結構內的剛度特性按照需求分布。伴隨我國重型運載火箭和大飛機的大直徑、薄壁、超輕等越發苛刻的設計需求，以及承力結構多功能性融合的趨勢所導致的開口增多，面內傳力路徑和應力分布狀態變得極為復雜，且暴露的不確定性風險顯著增大。顯然，變剛度復合材料板殼這類極具承載潛力的結構對于具有復雜傳力路徑的艙段殼體具有極大的吸引力。

復合材料結構的承載性能受材料、制造公差、載荷等多種不確定性因素的影響，特別是變剛度結構大幅延拓了設計空間，制造工藝過程引起的纖維鋪設角度空間分布位置等偏差成為新的不確定性因素，導致結構不確定性風險顯著增大，不確定性優化設計需求越發迫切。為提高優化效率，等幾何分析方法已應用于形狀優化設計，這是由于設計和分析模型采用相同的幾何描述，可以很容易地直接對靈敏度進行分析，摒棄了傳統有限元靈敏度計算中網格近似引起的精度問題。可以預見，相對傳統有限元方法，基于等幾何分析的變剛度板殼結構優化設計可在滿足更高精度要求的同時大幅縮短計算時間。

現有的變剛度復合材料板殼結構傳統可靠度優化方法計算量巨大且過度依賴有限元分析，優化過程中需要多次調用精細有限元分析，即使采用采用等幾何分析技術，其優化效率也十分低下。而且，受限于計算資源，工程中往往采用精度較差的一次可靠度近似方法進行可靠度優化，但對于可靠度要求非常苛刻的航空航天領域，高效率、高精度的可靠性分析是十分重要且需求迫切的。該領域雖然已開展了大量工作，但仍未給出一種效率高、精度好的針對變剛度復合材料板殼結構的精確建模與可靠度優化一體化方法。

發明內容

本發明主要解決現有技術的變剛度復合材料板殼結構建模分析精度差，可靠度優化設計的計算成本巨大、精度較差、優化效率低下的技術問題，提出一種變剛度復合材料板殼結構精確建模分析與可靠度優化一體化設計方法，實現建模、分析與可靠度優化過程的無縫對接，以達到提高變剛度復合材料板殼結構建模精確性、提升可靠度優化設計的計算效率、計算精度、縮短產品設計周期的目的。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種變剛度復合材料板殼結構精確建模分析與可靠度優化一體化設計方法，包括以下步驟：

步驟100：利用高效梯度類方法進行變剛度復合材料板殼結構優化，包括以下子步驟：