[發(fā)明專利]一種考慮增材制造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多材料多尺度變剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210846371.6
• 申請(qǐng)日: 2022-07-05
• 公開（公告）號(hào): CN115295097A
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 段尊義;劉煜琦;劉億;劉赫;徐斌;朱繼宏;龍凱;閻軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G16C60/00
• 分類號(hào): G16C60/00;G06F30/23;G06F111/04;G06F113/26;G06F119/14
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1.一種考慮增材制造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多材料多尺度變剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

S1、輸入宏、微觀設(shè)計(jì)變量參數(shù)；

S2、基于多尺度多材料復(fù)合材料各向異性懲罰模型(MMCAP)對(duì)離散復(fù)合材料多材料本構(gòu)矩陣進(jìn)行計(jì)算；

S3、采用高斯積分法，使用四個(gè)高斯積分點(diǎn)擬合積分值，并基于離散復(fù)合材料多材料本構(gòu)矩陣計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃嚕M(jìn)而組裝得到整體剛度矩陣；

S4、進(jìn)行有限元求解；

S5、計(jì)算最小化柔順性目標(biāo)函數(shù)與體積約束，用所述設(shè)計(jì)域內(nèi)每個(gè)單元的剛度矩陣，以結(jié)構(gòu)剛度最大化為目標(biāo)，構(gòu)建纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多材料多尺度變剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)；

S6、對(duì)目標(biāo)函數(shù)和體積約束靈敏度進(jìn)行計(jì)算；

S7、采用MMA方法對(duì)所述拓?fù)鋬?yōu)化模型中的宏、微觀設(shè)計(jì)變量進(jìn)行迭代更新，得到優(yōu)化后的復(fù)合材料多材料多尺度優(yōu)化模型。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮增材制造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多材料多尺度變剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S1的表現(xiàn)方式包括：

S1.1、對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)域進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的微觀纖維鋪設(shè)角度數(shù)目為每個(gè)單元定義宏、微觀設(shè)計(jì)變量并賦予初始值。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮增材制造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多材料多尺度變剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S2的表現(xiàn)方式：

S2.1、進(jìn)行離散復(fù)合材料多材料本構(gòu)矩陣計(jì)算，首先對(duì)各個(gè)備選微觀纖維鋪設(shè)角度對(duì)應(yīng)的本構(gòu)矩陣進(jìn)行計(jì)算，即根據(jù)鋪設(shè)角度將初始本構(gòu)矩陣代入轉(zhuǎn)軸公式進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算式為：

其中，T^-1為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，θ為微觀纖維鋪設(shè)角度，v₁₂為泊松比，E₁、E₂為材料在1、2彈性主方向的彈性模量；

S2.2、將S2.1中計(jì)算得到的備選微觀纖維鋪設(shè)角度對(duì)應(yīng)的本構(gòu)矩陣代入多尺度多材料復(fù)合材料各向異性懲罰模型(MMCAP)中，計(jì)算得到多材料的本構(gòu)矩陣：

式中，為第ξ種備選材料對(duì)應(yīng)的本構(gòu)矩陣，為第c種備選纖維鋪設(shè)角度密度,為第c種備選纖維鋪設(shè)角度對(duì)應(yīng)的本構(gòu)矩陣；

S2.3、基于S2.2中計(jì)算得到的多材料的本構(gòu)矩陣，進(jìn)一步計(jì)算單元的本構(gòu)矩陣：

式中，為第e個(gè)單元的本構(gòu)矩陣，為宏觀單元密度，為第ξ種備選材料密度，為第ζ種備選材料密度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮增材制造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多材料多尺度變剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S3的表現(xiàn)方式包括：

S3.1、基于S3.3計(jì)算得到的單元本構(gòu)矩陣，計(jì)算單元的剛度矩陣：

式中，B為應(yīng)變-位移矩陣，Ω^j為設(shè)計(jì)域；

采用高斯積分法，使用四個(gè)高斯積分點(diǎn)對(duì)積分進(jìn)行擬合，計(jì)算得到四個(gè)高斯積分點(diǎn)處的剛度矩陣，之后累加得到單元?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

S3.2、將S4.1中計(jì)算得到的單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行組裝，得到整體剛度矩陣：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮增材制造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多材料多尺度變剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S4的表現(xiàn)方式包括：

S4.1、根據(jù)事先設(shè)定的載荷與計(jì)算得到的整體剛度矩陣，進(jìn)行有限元求解：

式中，F(xiàn)為施加的載荷，為整體剛度矩陣。