等厚度復(fù)合材料層板的順序優(yōu)化設(shè)計(jì)方法技術(shù)

一種等厚度復(fù)合材料層板的順序優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在鋪層序的設(shè)計(jì)中考慮了復(fù)合材料力學(xué)模型對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響，并構(gòu)建起一套簡(jiǎn)單高效的鋪層設(shè)計(jì)策略，不僅能夠優(yōu)化層合板的彎曲剛度參數(shù)，同時(shí)能夠很好的處理各個(gè)工程約束。本發(fā)明專利技術(shù)提出的層合板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可使工程設(shè)計(jì)人員從繁瑣的層合板鋪層序?qū)?yōu)問(wèn)題中解脫出來(lái)，能夠迅速確定滿足彎曲性能和工程約束的最優(yōu)層合板鋪層序。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及復(fù)合材料層合板的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體是一種等厚度復(fù)合材料對(duì)稱均衡層 合板的鋪層順序優(yōu)化方法。
技術(shù)介紹
纖維增強(qiáng)型樹(shù)脂基復(fù)合材料常以層合形式用于大面積壁板類承受面內(nèi)及面外載 荷的工程結(jié)構(gòu)，工程中復(fù)合材料層合板通常由四種纖維方向即0°、+45°、_45°、90°的角 鋪層多個(gè)預(yù)浸料薄片疊合而成，關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素在于解決好不同角鋪層每一單層的交替順序 問(wèn)題，以提高層合板的抗彎特性并避免工程應(yīng)用中易形成的分層破損等問(wèn)題；同時(shí)在工藝 力學(xué)特性上要求復(fù)合材料層合板各鋪向角的鋪層量過(guò)中面對(duì)稱，以避免工藝殘余內(nèi)力造成 的壁板翹曲。復(fù)合材料層合板在工程設(shè)計(jì)中首先要確定各角鋪層的整體厚度，再進(jìn)行不同 薄層的鋪層序設(shè)計(jì)。各角鋪層的整體厚度來(lái)自于壁板承載的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)，本專利技術(shù) 不再涉及其內(nèi)容。鋪層順序設(shè)計(jì)是針對(duì)每一單個(gè)薄層操作，且不僅要滿足力學(xué)分析的性能 指標(biāo)，又要滿足多種工程約束要求，故又稱之為層合板的離散鋪層順序優(yōu)化設(shè)計(jì)。本專利技術(shù)即 針對(duì)等厚度復(fù)合材料層合板提出的一種高效離散鋪層順序優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 文獻(xiàn) I "Liu B，Haftka RT，Akgun MA，Todoroki A. Perautation genetic algorithm for stacking sequence design of composite laminates. Computer Methods Applied Mechanics Engeering. 2000 ;186:357 - 72. " 公開(kāi)了一種在遺傳算法基礎(chǔ)上設(shè)計(jì) 的排列遺傳算法，對(duì)在既定工程約束與給定載荷工況下的層合板鋪層順序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。但 該方法在帶有工程約束的目標(biāo)優(yōu)化中，陷入了局部最優(yōu)，沒(méi)有找到全局最優(yōu)，且收斂速度較 慢。同時(shí)，當(dāng)鋪層層數(shù)增多，該方法的搜索效率明顯下降。導(dǎo)致其在應(yīng)用于更大規(guī)模，和更 多變量的層合板鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題中存在較大局限性。 專利2"方采文，薛大鵬，楊學(xué)萌，張樹(shù)軍，何續(xù)斌，劉朕.復(fù)合材料等厚度層合板鋪 層優(yōu)化方法.中國(guó)，103399755Α，2013-11-20. "公開(kāi)了一種等厚度層合板鋪層優(yōu)化方法，首 先進(jìn)行基礎(chǔ)鋪層的四進(jìn)制法優(yōu)化，然后以四進(jìn)制優(yōu)化方法輸出的參考序列為輸入，通過(guò)強(qiáng) 度計(jì)算工具進(jìn)行二次優(yōu)化，計(jì)算在特定載荷條件下當(dāng)前層合板的單層最小安全裕度，將所 有滿足條件的參考序列按照單層最小安全裕度排序，輸出單層安全裕度最大的五個(gè)序列。 該方法通過(guò)建立一個(gè)從12到100層鋪層且只包含0°、+45°、-45°、90°四個(gè)鋪向角的基 礎(chǔ)鋪層庫(kù)，對(duì)不同受力狀態(tài)下的層合板進(jìn)行鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)只是滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則，實(shí) 際上工程力學(xué)的約束還要包括屈曲、振動(dòng)以及剛度特性等，其應(yīng)用面有一定局限性。 由于復(fù)合材料層合板鋪層的離散特性，使得其設(shè)計(jì)變量空間巨大。上述方法在搜 索過(guò)程中均屬于隨機(jī)選優(yōu)，即通過(guò)試算的方式來(lái)獲得更優(yōu)的鋪層序，因此計(jì)算量較大，搜索 具有一定的盲目性，且以上選優(yōu)過(guò)程并沒(méi)有考慮復(fù)合材料層合板的彎曲剛度特性。本專利技術(shù) 立足于層合板的經(jīng)典力學(xué)理論，通過(guò)理論推導(dǎo)得到層合板的彎曲剛度參數(shù)是關(guān)于鋪向角的 線性疊加函數(shù)，以此為基礎(chǔ)構(gòu)造了一個(gè)關(guān)于彎曲剛度參數(shù)的優(yōu)化模型來(lái)控制鋪層序的優(yōu)化 設(shè)計(jì)過(guò)程，使得鋪層序的設(shè)計(jì)效率大幅提高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的收斂速度較慢、搜索效率低，以及應(yīng)用面受限的不足，本 專利技術(shù)提出了一種等厚度復(fù)合材料層板的鋪層順序優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 1.本專利技術(shù)的等厚度復(fù)合材料層板鋪層順序優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分六個(gè)步驟實(shí)施： 步驟1，各鋪向角厚度的離散化。對(duì)各鋪向角的厚度按照四舍五入的原則進(jìn)行圓 整，使各鋪向角的厚度r。、r 45、r 45和r 9。分別為單層厚度t的整倍數(shù)，t按常規(guī)的碳纖維的 預(yù)浸料單片厚度取，得到各鋪向角層數(shù)ne。所述n e = re/t，其中Θ =〇°、45°、-45°或 90。。 步驟2,檢查層合板的總層數(shù)是否滿足工程約束C4。所述工程約束C4為各鋪向 角鋪層所占比例多10%。在檢查層合板的總層數(shù)是否滿足工程約束C4時(shí)，按R 1= Ii1/ 〇1。+1145+11 45+119。）計(jì)算，其中1=0°、45°、-45。和90°〇 若檢查結(jié)果R1滿足工程約束C4,繼續(xù)步驟3。 若檢查結(jié)果民不滿足工程約束C4,則增加 n i的鋪層數(shù)使該鋪向角的層數(shù)剛滿足 工程約束C4為準(zhǔn)，每次增加一個(gè)鋪層，即ηι+1 - Ii1，其中"一"表示賦值運(yùn)算。加入一層后 繼續(xù)檢測(cè)是否滿足R1S 10%的要求：如果不滿足繼續(xù)增加鋪層；如滿足則鋪層添加完畢。 步驟3,構(gòu)造基本鋪層結(jié)構(gòu)。具體分三步： 第一步，將-45°與45°的鋪層數(shù)相加并賦值給n45，即η45+η 45- η 45; 第二步，構(gòu)造滿足工程約束C2和C3的最簡(jiǎn)基本鋪層結(jié)構(gòu)，基本鋪層結(jié)構(gòu)是在前 一步操作后的結(jié)果基礎(chǔ)上，按初始給定的角鋪層順序在每個(gè)角鋪層中各取一層構(gòu)成，即 (n〇, n45, Hg0) 一 (1,1,1); 第三步，在各角鋪層的鋪層數(shù)（n。，n45, n9。）中減去最簡(jiǎn)基本鋪層結(jié)構(gòu)的層數(shù)，得到 各角鋪層的剩余鋪層數(shù)。 步驟4,插入鋪層。具體分三步： 4. 1，選擇剩余角鋪層中數(shù)量最多的鋪層，在鋪層結(jié)構(gòu)中由上表面至中面做試插 入； 4. 2,試插入篩選，在已有鋪層序中的每一個(gè)位置插入某一鋪向角鋪層：如果所有 位置因違反工程約束C2和工程約束C3均無(wú)法插入均無(wú)法插入則轉(zhuǎn)步驟4. 3 ;若可以插入， 通過(guò)計(jì)算優(yōu)化模型（1)中的目標(biāo)函數(shù)f&，得到每一個(gè)試驗(yàn)插入位置的目標(biāo)函數(shù)，保留使 目標(biāo)函數(shù)f 2e最小的鋪層序。重復(fù)步驟4. 1與4.2所述插入鋪層過(guò)程，直到所有剩余鋪層被 插入完畢。 4. 3,插入鋪層過(guò)程中，必須同時(shí)滿足優(yōu)化模型（1)中的工程約束C2和工程約束 C3〇 如果剩余鋪層中數(shù)量最多的鋪向角鋪層因違反約束C2或C3無(wú)法插入時(shí)，則選擇 剩余鋪層數(shù)最多鋪向角以外的其它鋪向角中能夠滿足約束C2和C3的鋪層插入。此時(shí)該鋪 層序滿足約束C2和C3。返回步驟4. 1，繼續(xù)插入后續(xù)鋪層。 如果剩余鋪層中數(shù)量最多的鋪向角鋪層因違反工程約束C2和C3無(wú)法插入，且其 它鋪向角無(wú)剩余鋪層時(shí)，則需要添加能夠滿足約束的鋪向角鋪層，且添層最少。此時(shí)鋪層序 滿足約束C2或C3。返回步驟4.1繼續(xù)插入后續(xù)鋪層。 步驟5,置換鋪層。由于層合板中僅含有三種鋪向角0°、45°和90°，為滿足均衡 性要求，從層合板的上表面向中面將層合板中二分之一的45°鋪層置換為-45°鋪層。 步驟6,對(duì)冗余鋪層進(jìn)行刪除。根據(jù)約束Cl對(duì)層合板中可能的冗余鋪層進(jìn)行刪除 操作獲得最輕鋪層結(jié)構(gòu)：具體是： 第一步，根據(jù)優(yōu)化模型中的公式檢驗(yàn)約束Cl : 第二步，如果滿足約束C1，進(jìn)行鋪層刪除檢測(cè)及刪除操作：按照從層合板的鋪層 中面向上表面逐層檢測(cè)每一個(gè)鋪層是否可以刪除，如果刪除當(dāng)前鋪層不違反任何優(yōu)化模型 中的工程約束，將該鋪層刪除；如果刪除當(dāng)前鋪層違反任一優(yōu)化模型中的工程約束，跳過(guò)該 鋪層位置。至此，得到最終的層合板優(yōu)化鋪層序。 所述工程約束C2是各鋪向角的連續(xù)鋪層數(shù)不大于4 ;所述工程約束C3是相鄰鋪 層鋪向角改變不超過(guò)45° ;所述工程約束C4是各鋪向角鋪層所占比例多10%。 層合板彎曲變形及屈本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種等厚度復(fù)合材料層板的順序優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，具體過(guò)程是：步驟1，各鋪向角厚度的離散化；步驟2，檢查層合板的總層數(shù)是否滿足工程約束C4：所述工程約束C4在各鋪向角鋪層所占比例≥10％；步驟3，構(gòu)造基本鋪層結(jié)構(gòu)：具體是：第一步，將?45°與45°的鋪層數(shù)相加并賦值給n45，即n45+n?45→n45；第二步，構(gòu)造滿足工程約束C2和C3的最簡(jiǎn)基本鋪層結(jié)構(gòu)，基本鋪層結(jié)構(gòu)是在前一步操作后的結(jié)果基礎(chǔ)上，按初始給定的角鋪層順序在每個(gè)角鋪層中各取一層構(gòu)成，即(n0,n45,n90)＝(1,1,1)；第三步，在各角鋪層的鋪層數(shù)(n0,n45,n90)中減去最簡(jiǎn)基本鋪層結(jié)構(gòu)的層數(shù)，得到各角鋪層的剩余鋪層數(shù)；步驟4，插入鋪層：具體是：4.1，選擇剩余角鋪層中數(shù)量最多的鋪層，在鋪層結(jié)構(gòu)中由上表面至中面做試插入；4.2，試插入篩選，在已有鋪層序中的每一個(gè)位置插入某一鋪向角鋪層：如果所有位置因違反工程約束C2和工程約束C3均無(wú)法插入均無(wú)法插入則轉(zhuǎn)步驟4.3；若可以插入，通過(guò)計(jì)算優(yōu)化模型(1)中的目標(biāo)函數(shù)f2e，得到每一個(gè)試驗(yàn)插入位置的目標(biāo)函數(shù)f2e，保留使目標(biāo)函數(shù)f2e最小的鋪層序；重復(fù)步驟4.1與4.2所述插入鋪層過(guò)程，直到所有剩余鋪層被插入完畢；4.3，插入鋪層過(guò)程中，必須同時(shí)滿足優(yōu)化模型(1)中的工程約束C2和工程約束C3；如果剩余鋪層中數(shù)量最多的鋪向角鋪層因違反約束C2或C3無(wú)法插入時(shí)，則選擇剩余鋪層數(shù)最多鋪向角以外的其它鋪向角中能夠滿足約束C2和C3的鋪層插入；此時(shí)該鋪層序滿足約束C2和C3；返回步驟4.1，繼續(xù)插入后續(xù)鋪層；如果剩余鋪層中數(shù)量最多的鋪向角鋪層因違反工程約束C2和C3無(wú)法插入，且其它鋪向角無(wú)剩余鋪層時(shí)，則需要添加能夠滿足約束的鋪向角鋪層，且添層最少；此時(shí)鋪層序滿足約束C2或C3；返回步驟4.1，繼續(xù)插入后續(xù)鋪層；步驟5，置換鋪層：由于層合板中僅含有三種鋪向角0°、45°和90°，為滿足均衡性要求，從層合板的上表面向中面將層合板中二分之一的45°鋪層置換為?45°鋪層；步驟6，對(duì)冗余鋪層進(jìn)行刪除：根據(jù)約束C1對(duì)層合板中的冗余鋪層進(jìn)行刪除操作獲得最輕鋪層結(jié)構(gòu)：具體是：第一步，根據(jù)優(yōu)化模型中的公式檢驗(yàn)約束C1：第二步，如果滿足約束C1，進(jìn)行鋪層刪除檢測(cè)及刪除操作：按照從層合板的鋪層中面向上表面逐層檢測(cè)每一個(gè)鋪層是否可以刪除，如果刪除當(dāng)前鋪層不違反任何優(yōu)化模型中的工程約束，將該鋪層刪除；如果刪除當(dāng)前鋪層違反任一優(yōu)化模型中的工程約束，跳過(guò)該鋪層位置。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：景釗，孫秦，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：陜西;61