[发明专利]基于工程的复合材料层合板铺层优化后处理方法

说明书

技术领域

本发明是一种基于工程的复合材料层合板铺层优化后处理方法，属于复合材料结构设计领域，用于复合材料层合板结构设计优化中，以工程应用为目的，对优化结果进行工程可实现的后处理。

背景技术

复合材料具有比强度高，比刚度高，密度小和可设计性等优点，已被广泛应用于飞行器结构优化设计中。在复合材料层合板结构设计优化中，设计变量涉及铺层角度、铺层厚度和铺层位置等，设计变量数目巨大。

目前，在复合材料层合板设计优化方法中，针对设计变量巨大带来的优化困难的问题，主要是对复合材料层合板的设计变量进行一定处理，处理方法主要包含以下两种：一种是在优化前先确定几种工程常用的铺层角度比例，以复合材料层合板的厚度作为设计变量；另一种是在优化前先确定复合材料层合板的总厚度和单层厚度，并给定几种工程常用的铺层角度，通过对几种角度的铺层比例和铺层顺序进行优化。另外以上这两种方法还常常将铺层位置相近的多个优化单元简化为一个大的优化单元，即模型优化时需要同时对这些优化单元添加或减少铺层。

以上两种设计优化方法虽然大大减小了复合材料优化过程中设计变量的数目，且编码简单，但都由于事先已确定铺层角度或铺层角度比例等原因，极大缩小了优化算法可行域的寻优空间，优化时受此约束将直接影响优化算法的开采能力，某些情况下优化效果不显著。因此，在复合材料层合板优化设计优化过程中，设计人员需要保证优化算法能在所有可行解所形成的搜索空间内寻优，即针对设计变量可能存在的各种情况进行寻优，从而达到理想的寻优精度，这种精细化设计需求已是大势所趋。

然而，复合材料层合板精细化设计需要同时对所有优化单元进行设计优化，且优化过程中涉及大量离散变量和连续变量，导致优化后层合板模型中各优化单元所添加的铺层位置分布散乱，添加铺层的单元中所添加的厚度和角度也各不相同，优化单元厚度方向高低不平且“凸起”和“凹坑”等奇异单元较多，优化结果在工程上难以实现。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术状况而设计了一种基于工程的复合材料层合板铺层优化后处理方法，其目的是解决复合材料层合板结构在精细化设计优化后，无法在工程应用中得以实现的问题。

本发明提出了一种基于工程可实现的复合材料层合板铺层优化后处理方法，可以在对复合材料层合板结构进行精细化设计优化后，通过一种铺层厚度拟合和铺层角度等效转换的方法，使得层合板各优化单元铺层厚度方向光顺连续、单层铺层厚度和铺层角度工程合理化离散。该后处理方法首先在在保证复合材料层合板各优化单元三向刚度相等且质量基本一致的情况下，对优化后初始层合板进行第一次等效刚度转换；其次，采用一种基于最小二乘算法的多项式曲面拟合方法，在满足结构力学基本约束条件下，对层合板中所有优化单元进行厚度方向曲面拟合处理，确保拟合处理完成后层合板表面光顺连续，消除“凸起”和“凹坑”等奇异单元；最后，再对拟合处理后的层合板各优化单元进行第二次等效刚度转换，确保转换后层合板中各优化单元铺层角度都转换成0°、±45°、90°四种工程常用角度，且各优化单元的各单层厚度都转换为指定单层厚度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种基于工程的复合材料层合板铺层优化后处理方法，该复合材料层合板铺层包括原始铺层和经过优化后添加的铺层，其特征在于：该方法的步骤是：

⑴统计初始模型信息

采集复合材料层合板优化后模型(1)中各优化单元(2)的单元编号，然后再统计复合材料层合板优化后模型(1)中各优化单元(2)的几何信息和铺层信息，并将这些数据写入统计信息文件，作为第一次等效刚度转换的输入参数；

上述各优化单元(2)的单元编号是指优化后模型(1)中各优化单元(2)的单元属性编号；

上述各优化单元(2)的几何信息包括优化后模型(1)中各优化单元(2)的各结点三向坐标X_ij、Y_ij、Z_ij(i＝1，2…n，j＝1，2…，3或4)、中心点坐标X_i、Y_i(i＝1，2…n)和各优化单元的单元面积S_i(i＝1，2…n)；

各优化单元(2)的各结点三向坐标数据可以通过匹配单元编号，在优化后模型(1)中直接读取；

各优化单元(2)的中心点坐标X_i、Y_i(i＝1，2…n)通过该优化单元各结点三向坐标求得，见公式1；