[發(fā)明專(zhuān)利]一種復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c材料協(xié)同穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110251546.4
• 申請(qǐng)日: 2021-03-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113033043B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程錦;陸威;劉振宇;譚建榮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/23
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/23;G06F111/04;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 杭州求是專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發(fā)明公開(kāi)了一種復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c材料協(xié)同穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。包括以下步驟：考慮復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)制造服役中的不確定性，將樣本不充分的外載和樣本充足的基體材料屬性分別描述為區(qū)間變量和有界概率變量；對(duì)設(shè)計(jì)域、顆粒增強(qiáng)相體積分布離散化并作為兩組設(shè)計(jì)變量，設(shè)置物理與幾何約束，建立拓?fù)渑c材料協(xié)同穩(wěn)健優(yōu)化模型。利用移動(dòng)漸近線法求解：解耦概率區(qū)間不確定性，利用目標(biāo)性能的梯度確定最差工況；通過(guò)單變量分解法與拉蓋爾積分估計(jì)最差工況下目標(biāo)性能的均值及標(biāo)準(zhǔn)差以構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)；最后計(jì)算目標(biāo)與約束函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的梯度用于迭代。本發(fā)明建立的優(yōu)化模型真實(shí)反映支撐結(jié)構(gòu)多源不確定性的分布特性，求解高效，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c材料協(xié)同穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

拓?fù)鋬?yōu)化作為一種調(diào)配有限材料在設(shè)計(jì)域內(nèi)的分布從而使結(jié)構(gòu)目標(biāo)性能最優(yōu)的方法，已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，并隨著近年增材制造技術(shù)的推廣而進(jìn)一步成熟，考慮增強(qiáng)材料的拓?fù)渑c材料分布協(xié)同優(yōu)化也受到了廣泛關(guān)注。由于生產(chǎn)制造與使用過(guò)程中存在各種不確定性，為使拓?fù)鋬?yōu)化理論結(jié)果在實(shí)際制造后不至于性能劣化，必須在設(shè)計(jì)階段考慮不確定性的影響。

由于計(jì)算量巨大、理論分析復(fù)雜，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c材料分布協(xié)同優(yōu)化往往忽略不確定性。然而，由于復(fù)合材料制備與產(chǎn)品制造的雙重不確定性，忽略不確定性的優(yōu)化設(shè)計(jì)可能造成設(shè)計(jì)結(jié)果失效。

廣義復(fù)合材料(利用微觀可變晶格結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)上同一材料、不同等效物理屬性的梯度性質(zhì))近年來(lái)被廣泛研究，但受制于現(xiàn)有增材制造技術(shù)水平，實(shí)際產(chǎn)品性能往往存在劣化，其原因在于：1)晶格中的微小拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)難以完整復(fù)現(xiàn)；2)增材制造過(guò)程中不可避免制造誤差，而在晶格結(jié)構(gòu)的微觀層面引入幾何邊界不確定性。而現(xiàn)有對(duì)多種材料在結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布進(jìn)行協(xié)同穩(wěn)健優(yōu)化的方式需要考慮不同材料間融合面的不確定性，在理論分析上尚存較大困難。

因此，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料(如目前廣泛應(yīng)用的碳纖維增強(qiáng)塑料、顆粒增強(qiáng)金屬或金屬陶瓷材料等)在今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍會(huì)是適合實(shí)際應(yīng)用的主要材料形式。

發(fā)明內(nèi)容

為解決多源不確定性影響下顆粒增強(qiáng)材料支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c材料分布的協(xié)同穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c材料協(xié)同穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。包括以下步驟：考慮使用顆粒增強(qiáng)材料的支撐結(jié)構(gòu)在制造、服役中的不確定性，將樣本不充分的外載視為區(qū)間不確定性、將樣本充足的基體與顆粒材料屬性視為有界概率不確定性；分別對(duì)設(shè)計(jì)域、顆粒增強(qiáng)相體積分布離散化并作為兩組設(shè)計(jì)變量，設(shè)置物理與幾何約束，建立拓?fù)渑c材料協(xié)同穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；利用移動(dòng)漸近線算法迭代求解：首先解耦概率區(qū)間混合不確定性，利用優(yōu)化目標(biāo)梯度確定最差工況；接著使用單變量分解方法與拉蓋爾積分格式估計(jì)最差工況下優(yōu)化目標(biāo)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差以構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)；最后計(jì)算目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)對(duì)于兩組設(shè)計(jì)變量的梯度用于迭代。本發(fā)明高效地解決了概率區(qū)間不確定因素共存情況下顆粒增強(qiáng)材料支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c材料分布的協(xié)同穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c材料協(xié)同穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法包括以下步驟：

1)考慮顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)在制造與服役過(guò)程中的以下不確定性：支撐結(jié)構(gòu)基體材料與顆粒增強(qiáng)相的材料屬性、支撐結(jié)構(gòu)所受外載的幅值與方向；其中，難以獲得充足樣本信息的外載幅值與加載方向視為區(qū)間不確定性；將具有充足樣本信息的基體材料與顆粒增強(qiáng)相的材料屬性視為有界概率不確定性，并采用服從廣義貝塔分布的隨機(jī)變量來(lái)描述各有界概率不確定性參數(shù)；

2)離散化支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)域，具體為：