[發明專利]一種基于測地線距離的帶孔復合材料結構設計優化方法

有效

• 申請號: 201810456168.1
• 申請日: 2018-05-14
• 公開（公告）號: CN108629140B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 夏奇;田野;史鐵林
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/10
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本發明屬于復合材料結構設計優化領域，并具體公開了一種基于測地線距離的帶孔復合材料結構設計優化方法，包括如下步驟：在帶孔復合材料結構的實體區域內均勻定義離散設計點，設定各設計點處纖維角度的初始值；對結構進行網格劃分，確定各單元中心點的坐標；計算各設計點到各單元中心點的測地線距離，基于測地線距離求得各單元中心點處的纖維角度；建立剛度矩陣，并計算得到整體位移向量；根據整體位移向量得到敏度，然后更新纖維角度θ_i直至滿足優化終止條件。本發明通過計算單元中心點到設計點之間的測地線距離，并基于測地線距離得到帶孔復合材料結構的連續變角度纖維布局，改善了帶孔復合材料結構的連續變角度纖維布局，提升了結構性能。

技術領域

本發明屬于復合材料結構設計優化領域，更具體地，涉及一種基于測地線距離的帶孔復合材料結構設計優化方法。

背景技術

與常規的定剛度復合材料結構相比，曲線纖維復合結構具有極高的可設計性。除了常規的結構外形設計外，復合材料結構的設計還包括纖維布局的設計。例如，通過設計纖維的鋪放角度使結構具有變剛度的特性，進而獲得更優的結構性能。隨著自動纖維鋪放和增材制造技術的發展，曲線纖維復合結構逐漸應用于航空航天、汽車、高端裝備等領域。

對于復合材料結構中纖維角度布局的設計，由于要保證纖維鋪設角的空間連續性以便于加工制造，所以連續變角度纖維布局描述模型是必不可少的。目前已有的優化設計方法中，基于Shepard插值的纖維增強復合材料結構優化方法能保證纖維角度的空間連續變化布局，例如CN107590325A公開的一種基于Shepard插值的纖維增強復合材料結構優化方法，CN107729648A公開的一種基于Shepard插值的曲線纖維復合結構設計瀑布型多級優化方法。但上述方法涉及的Shepard插值基于歐氏距離，只能解決不含孔洞的復合材料結構設計，而未考慮帶孔的復合材料結構設計問題。在實際的工程結構中，大部分復合材料結構帶有孔洞，或稱為非凸形狀。為解決該類復合材料結構的纖維角度優化問題，需研究設計一種新的優化方法，以實現帶孔洞復合材料結構的纖維角度的優化。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于測地線距離的帶孔復合材料結構設計優化方法，其通過計算單元中心點到設計點之間的測地線距離，并基于測地線距離得到帶孔復合材料結構的連續變角度纖維布局，解決了現有的基于歐氏距離的Shepard插值方法的局限性，改善了帶孔復合材料結構的連續變角度纖維布局，提升了結構性能。

為實現上述目的，本發明提出了一種基于測地線距離的帶孔復合材料結構設計優化方法，其包括如下步驟：

S1在帶孔復合材料結構的實體區域內均勻定義一系列離散設計點p_i，并設定各設計點p_i處纖維角度θ_i的初始值，其中，i＝1,2,...,n，n為正整數；

S2對帶孔復合材料結構進行網格劃分，提取節點數據和單元數據，確定各單元中心點x_c的坐標；

S3計算各單元中心點x_c到各設計點p_i的測地線距離||x_c-p_i||_g，基于測地線距離||x_c-p_i||_g求得各單元中心點x_c處的纖維角度其中，I_xc為單元中心點x_c的影響域內所有設計點索引集合；

S4建立依賴于纖維角度θ_e的剛度矩陣，并計算得到整體位移向量；

S5根據整體位移向量得到敏度，然后更新纖維角度θ_i直至滿足優化終止條件，以此完成帶孔復合材料結構的設計優化。