[發明專利]一種新型復合材料結構高承載力輕量化設計方法

在審

• 申請號: 202010956545.5
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN111967198A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 程錦;楊明龍;劉振宇;譚建榮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F111/04;G06F111/10;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種新型復合材料結構高承載力輕量化設計方法。該方法考慮新型復合材料結構制備工藝導致的材料屬性的空間相關不確定性，建立符合工程實際的材料屬性隨機場模型；根據高承載力輕量化設計需求，建立隨機場影響下的新型復合材料結構優化設計模型，進而利用多目標布谷鳥搜索算法快速獲取最優的新型復合材料結構設計參數。在優化模型求解過程中，首先建立克里金增強人工神經網絡代理模型，然后通過基于代理模型的隨機等幾何分析方法進行新型復合材料結構的隨機屈曲分析，快速準確地計算出隨機場影響下新型復合材料結構臨界屈曲載荷的平均值和屈曲模態最大位移，進而可高效地獲得滿足高承載力輕量化需求的新型復合材料結構最佳設計方案。

技術領域

本發明涉及工程領域，尤其涉及一種新型復合材料結構高承載力輕量化設計方法。

背景技術

復合材料具有輕質量、高剛度、高強度等優勢，近年來在工程中的應用日益普遍。例如，硬巖掘進機刀盤等具有高強度、高剛度性能需求的結構，就十分適合采用復合材料來制造。工程領域對結構服役的承載力十分關注，復合材料結構的屈曲分析是結構高承載力設計過程中重要的一環。由于復合材料的制備工藝復雜，其材料屬性具有明顯的隨機性，這種隨機性使得新型復合材料結構的屈曲行為也必然存在隨機性。因此，在新型復合材料結構屈曲分析及高承載力設計中，需充分考慮其材料屬性的隨機不確定性。

有限元分析是較為常用的屈曲分析方法，但傳統的有限元分析方法在進行CAD模型與CAE模型轉換時，網格單元離散的操作會遺失CAD模型的幾何信息，網格單元只能近似而無法準確表示復雜的幾何形狀(如尖角、復雜曲面等)，使得用于分析的CAE模型存在幾何離散誤差。

復合材料結構高承載力設計中，隨機場影響下新型復合材料結構臨界屈曲載荷統計特征值的計算需以隨機前屈曲位移的計算為前提條件，這屬于隨機分析的雙重耦合問題，采用嵌入式隨機分析方法進行求解十分困難，也很難導出隨機臨界屈曲載荷的顯式表達式。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種新型復合材料結構高承載力輕量化設計方法。本發明提出的方法將隨機等幾何分析方法與克里金增強人工神經網絡代理模型相結合來求解新型復合材料結構的臨界屈曲載荷，無需給出隨機臨界屈曲載荷的顯式表達式，而是通過較少次數的等幾何分析所得結果來訓練代理模型，進而得到大規模樣本的臨界屈曲載荷，避免了雙重耦合隨機分析求解，大大降低了分析難度。等幾何分析技術直接應用CAD模型作為分析用的CAE模型，從原理上消除了三維CAD模型轉為CAE模型時產生的幾何離散誤差，相比于傳統的有限元分析而言能獲得更準確的分析結果。

該方法首先考慮復合材料結構制備工藝導致的材料屬性空間相關不確定性，建立其材料屬性的隨機場模型，在此基礎上，根據高承載力輕量化設計需求建立基于隨機場的結構優化設計模型，并采用多目標布谷鳥搜索算法進行求解。求解過程中，采用隨機等幾何分析方法計算隨機場材料屬性影響下的隨機臨界屈曲載荷及其屈曲模態最大位移，尋找到最優的復合材料結構設計參數組合，從而實現了新型復合材料結構的高承載力輕量化設計。本發明提出的新型復合材料結構高承載力輕量化設計方法考慮了材料屬性的空間相關隨機性，將隨機等幾何分析方法與克里金增強人工神經網絡模型相結合計算新型復合材料結構的隨機臨界屈曲載荷，能高效地實現新型復合材料結構的優化設計。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種新型復合材料結構高承載力輕量化設計方法，該方法包括以下步驟：

1)新型復合材料結構參數化，確定結構設計參數及其取值范圍。

2)采用隨機場描述考慮空間相關不確定性的新型復合材料結構的材料屬性：

其中，x為新型復合材料結構中面上的點坐標，θ為隨機場的樣本集合，E(x，θ)，v(x，θ)分別為新型復合材料結構的楊氏模量和泊松比，分別為表征存在空間相關不確定性的新型復合材料結構的楊氏模量和泊松比的對數正態隨機場。