[發明專利]一種考慮增材制造的纖維增強復合材料多材料多尺度變剛度優化設計方法

在審

• 申請號: 202210846371.6
• 申請日: 2022-07-05
• 公開（公告）號: CN115295097A
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 段尊義;劉煜琦;劉億;劉赫;徐斌;朱繼宏;龍凱;閻軍
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06F30/23;G06F111/04;G06F113/26;G06F119/14
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本發明屬于纖維增強復合材料結構拓撲優化設計領域，發明了一種考慮增材制造的纖維增強復合材料多材料多尺度變剛度拓撲優化設計方法，包括如下步驟：1、輸入初始宏觀拓撲、材料選擇、微觀離散纖維鋪角變量；2、計算離散復合材料多材料本構矩陣；3、計算總體剛度矩陣；4、有限元求解；5、計算最小化柔順性目標函數與體積約束；6、求解目標函數及約束對設計變量靈敏度信息；7、采用GCMMA更新設計變量；8、進行收斂判別。本發明的方法提出了一種多尺度多材料復合材料各向異性懲罰模型，該模型可實現纖維增強復合材料多材料多尺度變剛度拓撲優化設計，獲得宏觀多材料清晰拓撲和微觀離散纖維鋪角選擇。

技術領域

本發明涉及結構優化設計領域，特別涉及一種考慮增材制造的纖維增強復合材料多材料多尺度變剛度拓撲優化設計方法。

背景技術

纖維增強復合材料因其高比強度、高比剛度、優異的耐腐蝕、抗疲勞等物理性能等優越的材料性能，在航空航天、汽車、新能源設備等領域得到了廣泛的應用。傳統常剛度纖維增強復合材料優化設計，同一鋪層中共用相同的纖維鋪角，無法充分發揮纖維增強復合材料的方向性。隨著纖維增強復合材料增材制造技術的發展，纖維增強復合材料可以實現連續變化的鋪設角度，開展多種材料、變剛度的纖維增強復合材料層合板多尺度拓撲優化設計日益受到重視。

現有的復合材料結構優化方法中，大多僅對單一一種復合材料進行結構優化或纖維鋪設角度的優化，材料的性能沒有得到充分發揮，造成材料的浪費。目前航空、航天、汽車、新能源裝備領域中使用材料并不局限于單一材料，往往使用多種材料進行復合設計。而當前復合材料優化設計方法，還不能針對上述多材料、多尺度、變剛度復雜問題進行優化設計，因此，本發明提出了一種高效的考慮增材制造的纖維增強復合材料多材料多尺度變剛度拓撲優化設計方法。

發明內容

本發明提出了一種高效的考慮增材制造的纖維增強復合材料多材料多尺度變剛度拓撲優化設計方法，該方法以多尺度多材料復合材料各向異性懲罰模型(MMCAP)為基礎，用于研究纖維增強變剛度復合材料結構多尺度多材料優化設計。以最小化結構柔順性為目標函數。將宏觀多材料拓撲和微觀離散纖維鋪設角度作為獨立設計變量，同時進行優化，分別在宏觀和微觀上利用固體各向同性材料懲罰(SIMP)和離散材料優化(DMO)方法，實現宏觀多材料清晰拓撲和微觀特定的離散纖維鋪設角度選擇。

為了實現上述目的，本發明提供一種考慮增材制造的纖維增強復合材料多材料多尺度變剛度優化設計方法，主要包含以下步驟：

(1)初始化宏、微觀設計變量參數，對于微觀設計變量參數，可選取多種纖維鋪設角度，如：根據材料纖維鋪設角度通過轉軸公式計算得到在全局坐標系下的本構矩陣

(2)根據步驟一計算得到的本構矩陣分別在宏觀和微觀上利用固體各向同性材料懲罰(SIMP)和離散材料優化(DMO)方法計算得到單元的本構矩陣

(3)利用單元的本構矩陣計算得到單元的剛度矩陣通過組裝得到整體剛度矩陣

(4)根據公式求解得到整體位移響應U，進而利用柔度計算公式C＝F^TU得到目標函數C，公式中F為外力向量。

(5)以最小化結構柔順性為目標函數，宏觀多材料拓撲和微觀離散纖維鋪設角度作為獨立設計變量，構建纖維增強變剛度復合材料結構的多尺度多材料優化設計數學模型。

(6)根據單元剛度矩陣與設計變量的關系以及整體位移向量U，利用公式計算得到目標函數C對宏觀設計變量的靈敏度同理，計算目標函數對微觀設計變量的靈敏度。

(7)基于靈敏度的GCMMA優化算法更新迭代設計變量

(8)重復步驟二至步驟七，直至滿足優化迭代條件，完成優化設計。

進一步地，對本構矩陣通過轉軸公式計算得到纖維角度對應的本構矩陣：