[發明專利]一種基于雙邊濾波的纖維增強復合材料結構優化設計方法

在審

• 申請號: 202011403764.7
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112364546A
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 夏奇;霍宇航;田野;史鐵林
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;李智

本發明屬于纖維增強復合材料結構優化設計相關技術領域，其公開了一種基于雙邊濾波的纖維增強復合材料結構優化設計方法，方法包括以下步驟：(1)將纖維增強復合材料結構的設計域劃分為N個單元，以各單元中心點處的纖維角度θ_e為設計變量；(2)建立單元剛度矩陣K_e，再根據有限元分析計算得到整體位移向量U和單元位移向量u_e；(3)依據目標函數公式c＝F^TU計算得到目標函數值，并計算目標函數關于設計變量θ_e的靈敏度值(4)在圓形區域N_e內對單元e中心點處的靈敏度值進行雙邊濾波處理；(5)利用基于靈敏度的優化算法更新設計變量θ_e；(6)重復步驟(2)到步驟(5)，直至滿足優化終止條件，以此完成符合復合材料結構的優化設計。本發明提高了優化質量。

技術領域

本發明屬于纖維增強復合材料結構優化設計相關技術領域，更具體地，涉及一種基于雙邊濾波的纖維增強復合材料結構優化設計方法。

背景技術

纖維增強復合材料相比于常規的金屬材料，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，被廣泛應用到航空航天、汽車、建筑等領域。隨著自動鋪帶/鋪絲技術的不斷發展，使得變剛度復合材料的制造成為可能，可沿設計的曲線路徑鋪放纖維。變剛度復合材料結構設計相比于直線纖維增強的恒剛度結構設計具有更好的力學性能，設計人員可通過優化設計纖維鋪放角度或路徑，得到性能更優的結構。

具備合理的纖維鋪設角度或路徑，滿足結構力學性能，是復合材料結構優化設計的重要內容?，F有的優化技術已被證明能夠有效地提供具有顯著增強結構性能的設計解決方案，但固有的問題是纖維路徑不平行，即不能保證纖維角度的空間連續性，鄰近的纖維角度可能會有突變(差值很大)，從而成為了產生間隙或重疊的主要來源之一。在這些設計方法中設置的路徑中，間隙、重疊的數量會影響結構響應、制造時間、成品的表面質量，也會給在數值分析中建模帶來困難。所以在優化設計階段考慮結構的可制造性就顯得格外重要，盡可能地減小因纖維路徑不平行而產生的間隙或重疊等制造缺陷，以保證復合材料的制造質量。

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雙邊濾波的纖維增強復合材料結構優化設計方法，所述方法將纖維增強復合材料結構的設計域劃分為有限個單元，對每個單元設置特定的圓形區域，該區域以單元中心點為圓心，半徑不小于單元尺寸的10倍，在該區域內，對單元e中心點處的靈敏度值進行雙邊濾波處理，得到過濾后的靈敏度值，以此作為單元e中心點處的靈敏度值，然后利用基于靈敏度信息的優化算法更新設計變量，直至滿足優化終止條件，得到滿足制造要求的纖維增強復合材料結構設計，很大程度上提高了復合材料的制造質量。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于雙邊濾波的纖維增強復合材料結構優化設計方法，所述方法包括以下步驟：

(1)以纖維增強復合材料結構為設計域，并將所述設計域劃分為N個單元，以各單元中心點處的纖維角度θ_e為設計變量，并設定各單元中心點處的纖維角度的初始值，其中e＝1,2,…,N；

(2)建立單元剛度矩陣K_e，再根據有限元分析計算得到整體位移向量U和單元位移向量u_e，所述單元剛度矩陣依賴于纖維角度θ_e；

(3)依據目標函數公式c＝F^TU計算得到目標函數值c，并計算目標函數關于設計變量θ_e的靈敏度值

(4)設置以單元e中心點為圓心的圓形區域N_e，在該圓形區域N_e內對單元e中心點處的靈敏度值進行雙邊濾波處理，以得到過濾后的靈敏度值

(5)利用基于靈敏度的優化算法更新設計變量θ_e；