[發明專利]一種復合材料結構參數的確定方法

有效

• 申請號: 202010835679.1
• 申請日: 2020-08-19
• 公開（公告）號: CN112036080B
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 康超;周宏根;劉贊;劉金鋒;李炳強;魏凱;鄭海南;肖志建;趙晨華
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06F30/27;G06N3/006;G06N3/126;G06F111/06;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 向文

本發明公開了一種復合材料結構參數的確定方法，包括如下步驟：設置復合材料初始參數，建立復合材料結構受載荷作用下的應力模型；基于應力模型，計算復合材料結構中鋪層角度及纖維體積含量在工藝范圍內的局部敏感性；根據三維穩定性判斷標準，確定鋪層角度及纖維體積含量的參數穩定域；基于遺傳與粒子群混合算法對參數穩定域內的復合材料結構強度進行分析，獲得最優強度下的鋪層角度及纖維體積含量組合。本發明能夠在保證復合材料結構性能的基礎上，獲得最優強度下的鋪層角度及纖維體積含量組合，不但解決了現有復合材料結構性能不穩定等問題，而且使得復合材料結構的性能得到了優化和保障。

技術領域

本發明屬于復合材料結構設計領域，具體涉及一種復合材料結構參數的確定方法。

背景技術

在復合材料結構制造過程中，復合材料結構參數的設計對最終結構的性能起到至關重要的作用。無論采用先進的復合材料纏繞成型、模壓成型、或者拉擠成型等方法，其中涉及兩個關鍵結構設計參數，即：鋪層角度與復合材料的纖維體積含量。這兩個參數的組合直接對成型的制品性能產生較大的影響，對其優化設計也一直是研究的重點。

目前，現有的文獻多集中于對復合材料結構的鋪層角度、纖維體積含量進行單因素優化，或者采用智能算法對多目標進行優化設計，繼而改善復合材料結構的性能。這種方法雖然優化了鋪層角度、纖維體積含量，但是該方法未對復合材料結構實際成型中出現的偏差因素進行考慮，使得按照優化后的設計參數而產生結構的性能穩定性較差。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，提供一種復合材料結構參數的確定方法，其提出了鋪層角度及纖維體積含量全范圍相互覆蓋的穩定性優化設計方法，旨在提高復合材料結構設計穩定性的基礎上確定最優參數組合，為復合材料結構設計提供新的設計方法。

技術方案：為實現上述目的，本發明提供一種復合材料結構參數的確定方法，包括如下步驟：

S1：設置復合材料初始參數，建立復合材料結構受載荷作用下的應力模型；

S2：基于應力模型，計算復合材料結構中鋪層角度及纖維體積含量在工藝范圍內的局部敏感性；

S3：根據三維穩定性判斷標準，確定鋪層角度及纖維體積含量的參數穩定域；

S4：基于遺傳與粒子群混合算法對參數穩定域內的復合材料結構強度進行分析，獲得最優強度下的鋪層角度及纖維體積含量組合。

進一步的，所述步驟S1中復合材料結構受載荷作用下的應力模型的建立過程為：

復合材料結構是以螺旋纏繞的正交層結構，涉及的圓柱坐標系下的位移-應變公式為：

其中，γ₀是單位長度的面扭轉，ε₀是常數，u表示位移，ε及γ則為應變，k表示第k層；下標r，θ，z為圓柱坐標系下的三個方向。

對應的應力-應變公式為，

其中，為第k層剛度矩陣，σ為應力；

受力平衡方程為：

其中，σ_r，σ_θ，σ_θr，σ_zr分別表示各自下標方向對應的應力。

上述方程為復合材料結構在偏軸坐標系下的關系，但其是基于復合材料在正軸坐標系下的材料特性來計算。因此，需要根據偏軸與正軸坐標系間的關系進行求解，具體關系如下，

其中，