[发明专利]变刚度复合材料板壳结构建模分析与可靠度优化设计方法

说明书

本发明涉及结构可靠度优化领域，提供一种变刚度复合材料板壳结构建模分析与可靠度优化设计方法，包括：利用一次可靠性近似方法、非线性近似函数以及二次可靠性近似方法对变刚度复合材料板壳结构进行高效可靠度优化。利用非均匀有理B样条函数对变刚度复合材料板壳纤维铺设路径进行精确建模；对变刚度板壳结构进行等几何分析，包括：基于等几何方法对变刚度板壳结构进行线性屈曲分析，推导设计变量以及随机变量对结构响应的全解析灵敏度。本发明能够实现变刚度复合材料板壳结构的建模、分析与可靠度优化的无缝对接，显著提高其可靠度优化效率及准确性，大幅缩短研发周期。

技术领域

本发明属于结构力学分析方法与结构可靠度优化设计技术领域，涉及一种变刚度复合材料板壳结构精确建模分析与可靠度优化一体化设计方法。

背景技术

航空航天结构追求性能第一的特点，使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场，提高复合材料用量对促进航空航天装备的轻量化和高性能化起到了至关重要的作用。受到传统制造工艺约束，目前纤维增强复合材料层合板多采用平行顺直纤维铺放成型，且同层的纤维角度固定，工程中常采用0°、90°和±45°的铺层方向，使得设计空间受限。相比之下，变刚度设计中同层的纤维铺放路径是连续曲线所示，其纤维路径可根据实际承载需求，提高或降低局部区域的强度和刚度，改善铺层平面内的应力分布，从而有效提高整体结构性能(如屈曲荷载和破坏强度)，已应用于国外飞行器机身结构、异型截面机翼结构等设计中。NASA认为结构弹性剪裁是实现未来亚音速飞行器低成本、轻量化的关键技术之一，即设计者可利用具有高强度和稳定性约束的材料，使承力结构内的刚度特性按照需求分布。伴随我国重型运载火箭和大飞机的大直径、薄壁、超轻等越发苛刻的设计需求，以及承力结构多功能性融合的趋势所导致的开口增多，面内传力路径和应力分布状态变得极为复杂，且暴露的不确定性风险显著增大。显然，变刚度复合材料板壳这类极具承载潜力的结构对于具有复杂传力路径的舱段壳体具有极大的吸引力。

复合材料结构的承载性能受材料、制造公差、载荷等多种不确定性因素的影响，特别是变刚度结构大幅延拓了设计空间，制造工艺过程引起的纤维铺设角度空间分布位置等偏差成为新的不确定性因素，导致结构不确定性风险显著增大，不确定性优化设计需求越发迫切。为提高优化效率，等几何分析方法已应用于形状优化设计，这是由于设计和分析模型采用相同的几何描述，可以很容易地直接对灵敏度进行分析，摒弃了传统有限元灵敏度计算中网格近似引起的精度问题。可以预见，相对传统有限元方法，基于等几何分析的变刚度板壳结构优化设计可在满足更高精度要求的同时大幅缩短计算时间。

现有的变刚度复合材料板壳结构传统可靠度优化方法计算量巨大且过度依赖有限元分析，优化过程中需要多次调用精细有限元分析，即使采用采用等几何分析技术，其优化效率也十分低下。而且，受限于计算资源，工程中往往采用精度较差的一次可靠度近似方法进行可靠度优化，但对于可靠度要求非常苛刻的航空航天领域，高效率、高精度的可靠性分析是十分重要且需求迫切的。该领域虽然已开展了大量工作，但仍未给出一种效率高、精度好的针对变刚度复合材料板壳结构的精确建模与可靠度优化一体化方法。

发明内容

本发明主要解决现有技术的变刚度复合材料板壳结构建模分析精度差，可靠度优化设计的计算成本巨大、精度较差、优化效率低下的技术问题，提出一种变刚度复合材料板壳结构精确建模分析与可靠度优化一体化设计方法，实现建模、分析与可靠度优化过程的无缝对接，以达到提高变刚度复合材料板壳结构建模精确性、提升可靠度优化设计的计算效率、计算精度、缩短产品设计周期的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种变刚度复合材料板壳结构精确建模分析与可靠度优化一体化设计方法，包括以下步骤：

步骤100：利用高效梯度类方法进行变刚度复合材料板壳结构优化，包括以下子步骤：