[發明專利]一種考慮可制造性的復合材料結構優化設計方法

有效

• 申請號: 202010166397.7
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111444579B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 夏奇;霍宇航;宗子豪;蒲史鳴;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;G06F30/20
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;孔娜

本發明屬于復合材料結構優化設計領域，并具體公開了一種考慮可制造性的復合材料結構優化設計方法。該方法包括：劃分復合材料結構的設計域并設定纖維角度的初始值；建立單元剛度矩陣并計算整體位移向量和各單元的位移向量；計算目標函數柔度值，同時計算各單元中心點的靈敏度；設置長邊與纖維方向平行的第一矩形區域，并得到各單元中心點的過濾靈敏度；設置長邊與纖維方向垂直的第二矩形區域，以得到各單元中心點的靈敏度平均值；更新各單元中心點的纖維角度并重復上述步驟，直至滿足優化終止條件，以此完成復合材料結構的優化設計。采用本發明提供的方法能夠得到可制造并滿足工藝約束的變剛度復合材料結構設計，極大改善了結構的可制造性。

技術領域

本發明屬于復合材料結構優化設計領域，更具體地，涉及一種考慮可制造性的復合材料結構優化設計方法。

背景技術

相比常規的金屬材料，纖維增強復合材料具有比強度高、比模量大、抗疲勞、抗腐蝕及減震性能好等優點，越來越多地被應用于航空航天、汽車、建筑等領域。其中，自動鋪帶技術可沿曲線路徑鋪放纖維，所制造出的結構帶有變剛度的特性，即結構的剛度在不同位置按需變化。與直線纖維增強的定剛度結構比較，變剛度結構有著更好的可設計性。通過優化設計纖維鋪放角度或路徑，設計人員可得到性能更優的結構。

復合材料結構優化設計通常是針對纖維鋪設角度或路徑。一般來講，結構會被離散為有限個單元，有一類優化設計方法便是以各單元中心點處的纖維角度值為設計變量，通過連續不斷地改變設計點的纖維角度值得到最優的復合材料結構，但此類方法不能保證纖維角度的空間連續性，即鄰近的纖維角度可能會有突變(差值很大)，這會導致結構不可制造。為了解決這個問題，研究者們提出不同的方法來保證纖維角度的空間連續變化布局。但采用這些方法得到的結構的可制造性較差，一些缺陷容易在制造過程中出現，例如由于鋪放路徑不平行導致纖維帶之間的重疊和空隙，由于鋪放路徑曲率過大導致纖維帶起皺或脫層。為了保證優化設計得到的結構可被制造，且在制造過程中不會有缺陷的產生，纖維增強復合材料結構的設計階段需要考慮制造工藝的限制，盡可能使纖維鋪放路徑平行等距且曲率合適。

發明內容

針對現有技術的上述缺點和/或改進需求，本發明提供了一種考慮可制造性的復合材料結構優化設計方法，其中通過對各單元設置兩個相互垂直的矩形區域，并對其靈敏度進行優化，進而實現對復合材料的纖維角度的更新，相應能夠優化復合材料結構設計，極大改善結構的可制造性，因而尤其適用于復合材料制造之類的應用場合。

為實現上述目的，本發明提出了一種考慮可制造性的復合材料結構優化設計方法，該方法包括如下步驟：

S1將復合材料的結構設計域劃分為N個單元，并設定各單元中心點的纖維角度θ_e的初始值，其中，e＝1，2，...，N；

S2利用所述各單元中心點的纖維角度θ_e建立單元剛度矩陣K_e，并根據該單元剛度矩陣K_e計算所述復合材料的整體位移向量U，以及各單元的位移向量u_e；

S3利用所述整體位移向量U計算所述復合材料的目標函數柔度值c，同時利用所述各單元的位移向量u_e計算所述各單元中心點的靈敏度

S4以各單元中心點為矩形中心點，設置第一矩形區域，保證所述第一矩形區域的長邊與該單元中心點的纖維方向平行，然后對該第一矩形區域內各單元中心點的靈敏度進行過濾處理，以得到該單元中心點的過濾靈敏度

S5以各單元的中心點為矩形中心點，設置第二矩形區域，保證所述第二矩形區域的長邊與該中心點的纖維方向垂直，然后計算所述第二矩形區域內所有單元中心點的過濾靈敏度的平均值，以得到該單元中心點的靈敏度平均值

S6根據所述步驟S3獲得的所述目標函數柔度值c，所述步驟S5獲得的各單元中心點的靈敏度平均值以及所述纖維角度θ_e的上下界更新所述各單元中心點的纖維角度θ_e；