[发明专利]一种考虑疲劳可靠性的复合材料铺层优化设计方法

说明书

本发明公开了一种考虑疲劳可靠性的复合材料铺层优化设计方法，包括如下步骤：(1)建立结构有限元模型，依据载荷的重要形式采用不同的系数对各种工况下的结构响应进行加权求和，确定载荷工况；(2)选择结构优化区域以及待选铺层角度，作为后续铺层优化的变量；(3)进行第1步优化，即厚度优化。以结构的强度，刚度(结构的相对位移)疲劳可靠性作为约束，以结构的重量为优化目标进行第一步优化；(4)以强度作为约束条件，以强度比作为优化目标，以复合材料结构的铺层顺序为优化变量进行第二步优化。本发明可以提高复合材料结构的可靠性，缩短设计周期。

技术领域

本发明涉及复合材料结构优化设计方法领域，特别涉及一种静力覆盖疲劳的复合材料结构铺层优化设计方法；

背景技术

鉴于复合材料高比强度、高比刚度的优越性，现代飞行器中复合材料结构的使用率越来越大，应用结构件也从次承力结构(蒙皮结构)逐步扩展到主承力结构(框、梁等结构)。全复合材料飞行器的强度设计较之前传统金属为主、复合材料为辅的飞行器结构在设计难度、工作量上具有大幅度的增加，而受复合材料固有的分散性与载荷不确定性的影响，结构的可靠性有所降低。因此，如何综合考虑各种不确定因素，研究其对复合材料飞行器结构静强度、疲劳寿命的影响成为型号设计的关键所在。

二级优化是现有铺层优化设计中较常使用的方法，即第一步对各个优化区域的超级层厚度进行优化，优化的约束条件是结构的强度，优化目标是结构的重量，然后对第一步优化的结果进行圆整，得到整体的铺层数；第二步采用遗传算法对整个复合材料的铺层顺序进行优化，优化目标是结构的强度比，约束条件是工艺原则。

疲劳分析是结构强度分析非常重要的一个方面，然而，通过试验分析对复合材料结构疲劳特性分析十分复杂，试验周期较长导致价格十分昂贵，并且试验分散性较大。在现有的复合材料结构铺层优化设计中鲜有计及结构疲劳特性的因素。然而，由于复合材料结构要求长周期的使用寿命，因此，在对复合材料结构进行优化设计的过程中考虑疲劳因素显得尤为重要。以下介绍静强度覆盖疲劳方法：

对最大循环应力与失效概率之间的关系式，当给定疲劳寿命N和存活率P时最大循环应力的表达式：

式(1)的解即为最大循环应力S^*＝f(N,P)。满足给定疲劳寿命N和存活率P的初始强度R^*(0)：

上式表明了剩余强度理论联系的静强度和疲劳寿命下的通过给定疲劳寿命N和存活率P时所求得的初始强度值R^*(0)，c、K、b都是试验常数，可以通过试验数据根据参数估计确定。又在设计过程中通过静强度试验可确定一个静强度极限σ_b，则以R^*(0)和σ_b为边界的强度取值可作为复合材料的强度设计值，此静强度值达到了覆盖疲劳强度的目的。

图1清晰的反应出静强度覆盖疲劳的原理。由剩余强度原理与静强度满足的二参数Weibull分布，根据给定寿命时最大循环应力和失效的概率关系，将给定疲劳寿命N和存活率P代入式(1)计算出满足疲劳寿命和存活率的最大循环应力值S^*，然后由变形后的剩余强度式(2)求出初始强度R^*(0)。

当确定了许用应力[S]时，根据一定的疲劳寿命将确定一条初始强度R^*(0)分布曲线，当复合材料要保证疲劳寿命不低于N时，其初始静强度必须不低于N所对应的初始强度R^*(0)。同时复合材料必须满足静强度的设计要求σ_b。从而在此区间内取值即可满足复合材料疲劳寿命和静强度两方面的要求，达到静强度覆盖疲劳的目的。

复合材料静强度覆盖疲劳的主要计算步骤如下：

(1)采用矩估计法对静强度二参数Weibull分布的参数m与σ₀进行估计：