[發明專利]一種考慮纖維連續的纖維增強復合材料結構布局優化設計方法

在審

• 申請號: 202110549163.5
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113515850A
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 牛斌;馮寧;楊睿;冷悅;孫士勇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/04;G06F113/26
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

本發明公開了一種考慮纖維連續的纖維增強復合材料結構布局優化設計方法，屬于復合材料結構優化設計技術領域。該方法為：以纖維增強復合材料結構的單元密度和纖維角度為設計變量，以動態響應最小化為目標函數構建考慮纖維連續的纖維增強復合材料結構優化模型，對纖維增強復合材料結構進行布局優化設計。本發明提出了一種考慮纖維連續性制造約束的纖維增強復合材料結構的動力學布局優化設計方法，保證了纖維增強復合材料結構的布局優化設計中纖維角度的連續性，并且復合材料結構優化設計能夠獲得良好的動力學性能，具有良好的工程應用價值。

技術領域

本發明屬于復合材料結構優化設計技術領域，涉及結構動力學性能優化，具體為一種考慮纖維連續性制造約束的變剛度纖維增強復合材料結構布局優化設計方法。

背景技術

纖維增強復合材料因具有比強度高、比模量高、性能可設計性等優點被廣泛應用于航空航天和汽車工業等領域。隨著自動纖維鋪放技術等復合材料制造技術的發展，使得將纖維沿著曲線纖維路徑鋪放的變剛度復合材料優化設計的制造成為可能。但是，在復合材料優化設計中需要加入制造約束以保證復合材料結構的可制造性和制造的質量，特別是允許出現孔洞的纖維增強復合材料結構布局設計中如何控制纖維取向的連續性成為重要的研究問題。

受到動態載荷作用復合材料結構優化設計受到關注，已經可以通過優化纖維角度等實現結構基頻最大化設計、結構動態響應最小化設計等。文獻“程長征、卞光耀、王選、龍凱、李景傳、吳喬國，連續纖維增強復合材料結構基頻最大化設計[J].力學學報,2020,52(05):1422-1430.”以最大基頻為目標函數，對纖維增強復合材料結構進行拓撲優化，但是沒有考慮纖維連續等制造約束。為了獲得纖維增強復合材料結構優化設計中纖維角度的連續變化，發明專利CN201710758619.2中公開了一種基于Shepard插值的纖維增強復合材料結構優化方法，該方法以最小柔順度為目標，在纖維增強復合材料結構設計域內定義一系列離散的設計點，通過Shepard插值格式構建連續的全局函數表達整個設計域中的纖維角度，最后獲得了纖維角度連續分布的纖維增強復合材料結構優化設計，但是，其并沒有考慮纖維增強復合材料結構的拓撲優化設計。

目前，關于纖維增強復合材料結構布局優化，鮮見同時考慮纖維角度連續性制造約束的研究。通過對動態載荷下的纖維增強復合材料結構布局優化設計，同時考慮纖維增強復合材料結構的纖維連續性制造約束，可以保證優化設計的可制造性，同時獲得良好的動力學性能。

發明內容

本發明提出了一種考慮纖維連續性制造約束的纖維增強復合材料結構的動力學布局優化設計方法。本發明以纖維增強復合材料結構的單元密度和纖維角度為設計變量，對纖維增強復合材料結構進行優化設計。優化中可以同時考慮單元密度和纖維角度設計變量的更新，也可以通過分層次優化單元密度和纖維角度交替迭代進行。以分層次優化為例，首先，保持纖維角度設計變量不變，以纖維增強復合材料結構的單元密度為設計變量，對纖維增強復合材料結構進行優化設計，然后在得到的優化設計的基礎上，以纖維角度為設計變量，引入復合材料結構相鄰單元的纖維角度之間的線性約束，對纖維角度進行優化?；诖朔謱哟蔚呗裕饶鼙ＷC纖維增強復合材料結構的優化設計中纖維角度的連續性，又實現了纖維增強復合材料結構布局優化設計，能夠獲得良好的結構性能。

本發明的技術方案：

一種考慮纖維連續的纖維增強復合材料結構布局優化設計方法，包含以下步驟：

步驟一、給定纖維增強復合材料的彈性模量、剪切模量、泊松比、質量密度等材料屬性，將纖維增強復合材料結構劃分為n個有限元單元，定義單元密度和纖維角度為設計變量，給出設計變量的初始值。

步驟二、設置纖維增強復合材料結構的載荷F(t)和邊界條件。

步驟三、獲得纖維增強復合材料結構的總體剛度矩陣K、總體質量矩陣M和阻尼矩陣C。其中，總體剛度矩陣K由單元剛度矩陣K_e組裝形成，總體質量矩陣M由單元質量矩陣M_e組裝形成：