[發明專利]一種復合材料耐壓殼體的鋪層優化設計方法

在審

• 申請號: 201910554969.6
• 申請日: 2019-06-25
• 公開（公告）號: CN110321613A
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 宋保維;潘光;張新虎;曹永輝;姜軍;王鵬;張克涵;胡海豹
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發明公開了一種復合材料耐壓殼體的鋪層優化設計方法，是以提高復合材料耐壓殼體結構承壓能力為目標的基于殼體剛度系數的鋪層方式優化設計。設計構建鋪層參數，包括不同的鋪層角度φ_i，鋪層角度對應的鋪層層數N_i；建立目標函數來描述不同鋪層方式所對應的剛度系數比與該最佳剛度系數比的接近程度，某個鋪層對應的目標函數值越小，則代表該鋪層對應的剛度系數比越接近最佳剛度系數比，其殼體性能越高。根據設計模型，利用遺傳算法與經典層合理論，尋找到最佳鋪層方式。利用經典層合理論計算個體的拉壓剛度系數比和彎曲剛度系數比，代替有限元分析整個結構的強度和穩定性，極大地減少了計算量，提高了優化效率。

技術領域

本發明涉及水下航行器殼體結構設計領域，具體地說，涉及水下航行器復合材料耐壓殼體的鋪層設計方法。

背景技術

目前，水下航行器正朝著大深度、遠航程以及輕型化的方向發展。水下航行器的殼體主要用于承受載荷，作為內部設備的支撐與包容，因此殼體結構設計在整個航行器系統設計中有著非常重要的地位，結構設計的好壞直接關系到整個航行器的系統性能和實際應用。耐壓殼體作為水下航行器的主體結構，主要用于承受巨大的外部靜水壓力，從而保證水下航行器中作業人員的人身安全以及各種儀器設備的正常工作，因此，耐壓殼體常被認為是水下航行器的“皮膚”和“骨骼”。大口徑、薄壁、易變性、難加工、需要承受高壓以及耐海水腐蝕是水下航行器殼體研制的難點，隨著對水下航行器工作深度、航速、航程等性能指標要求的不斷提高，水下航行器上相關組部件對重量和結構尺寸需求均有所增加，而受到發射平臺、發射裝置的限制，水下航行器的重量和結構尺寸的增加相對來說較為困難，尤其是對于要求裝在于反潛巡邏機、直升機、水面艦艇發射以及空中投放使用的輕型水下航行器來說，這一矛盾更為突出，常用于制造水下航行器耐壓殼體的金屬材料，如高強度鋼、鋁合金、鈦合金等很難滿足現代化裝備對水下航行器功能和載荷能力的高要求。于是，在現代工程、特別是航空航天領域已經廣泛應用的復合材料逐漸的走入了人們的視野。

復合材料是由兩種或多種不同性質的材料用物理和化學方法在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料。一般復合材料的性能優于其組分材料的性能，并且有些性能是原來組分材料所沒有的，復合材料改善了組分材料的剛度、強度、熱力學等性能。由于較高的比強度、比剛度及優越的可設計性,加之海洋結構物發展的需要，工程上對復合材料海洋結構物越來越重視。但是同時，由于水下特殊的工作環境，加之纖維復合材料屬于典型的各向異性材料，其結構的材料參數和幾何參數增多，未知函數、控制方程、邊界條件和初始條件增多，并且復合材料結構在一種外力的作用下，還可能會發生耦合現象，即除了引起本身的基本變形外，還可能引起其他的變形，例如拉剪耦合或者彎扭耦合，使得分析水下復合材料承壓殼體結構的力學響應的難度增大?，F有的設計方法常常結合于有限元方法對復合材料結構進行分析，然而復合材料耐壓殼體的優化設計常常伴隨著大量的設計參數，利用優化算法結合有限元分析往往需要分析大量的樣本點，進行多次迭代才能得到滿意的結果，需要大量的計算時間，這在一定程度上影響了復合材料耐壓殼體的優化設計效率。

發明內容

為了避免現有技術存在的不足，克服水下航行器復合材料耐壓殼體優化設計效率較低，以及常規的基于模型的殼體結構設計優化方法計算量過大、效率較低的問題，本發明提出一種復合材料耐壓殼體的鋪層優化設計方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:

復合材料耐壓殼體的鋪層優化設計方法，其特征在于包括以下步驟:

步驟1.確定設計參數及其參數范圍；根據水下航行器復合材料耐壓殼體的結構對殼體進行參數確定，設計參數包括殼體的內徑，殼體的長徑比與徑厚比；

步驟2.確定復合材料耐壓殼體的鋪層模式；構建鋪層參數，鋪層參數包括不同的鋪層角度φ_i，鋪層角度對應的鋪層層數N_i；