[发明专利]一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法

说明书

本发明公开了一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法，包括如下步骤：(1)对所建立的有限元模型在不确定条件下进行模型修正与确认。(2)对复合材料进行基于安全系数的优化，分为两级优化，第一级以结构重量为目标进行复合材料超级层优化，第二级以结构承载能力为目标进行铺层顺序优化。(3)以第(1)步定量化的不确定参数区间为基础，对第(2)步优化得到的方案的承载能力进行可靠性分析，得到结构在不同工况下承载能力的可靠性。(4)对复合材料进行基于可靠性的优化，以第(3)步优化得到方案的承载能力可靠性为约束对，以减重为目标进行超级层优化，第二级以最大化结构承载能力下界为目标进行铺层顺序优化。

技术领域

本发明涉及复合材料结构优化设计方法领域，特别涉及一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法。

背景技术

由于复合材料结构具有比强度高，比模量高，可设计强等优点被广泛应用于航空航天结构的设计中。应用部位也从次承力结构逐步扩展至主承力结构。复合材料固有的材料分散性使得结构设计工作较之传统的金属结构难度和工作量上大大增加。传统的基于安全系数的复合材料结构设计方法采用的安全系数偏大，设计出的结构过于保守，因此，如何综合考虑复合材料设计中的不确定因素，研究其对复合材料结构强度的影响成为结构设计的关键所在。

承载能力是衡量一个结构件性能的重要指标，经常作为复合材料结构优化设计的目标或者约束条件。复合材料结构件由于其止裂性能导致其失效载荷的计算与金属结构截然不同，金属材料的结构件在发生局部裂纹时会引发裂纹持续扩展而使得结构件失去承载能力，局部的材料破坏并不会导致整个结构件承载能力的丧失，需要采用分级加载的方式来衡量复合材料结构件在材料破坏条件下的承载能力。下面介绍通过位移加载方法计算结构失效载荷。

结构件在指定位置上施加位移载荷d，在该位移作用下结构会受到支反力F作用，若d采用逐级加载方式进行施加，设每级加载位移为d(n)，则支反力F也会逐渐增加，设为F(n)，结构的整体应力会逐渐增加，材料应力达到失效准则时会发生破坏，常用的失效准则有Hashin准则，Puck准则，Chang准则，LaRC04准则等，在有限元计算中材料破坏后材料的弹性参数会发生退化，复合材料结构退化方案是根据材料的失效特点来对弹性模量进行比例折减，当结构在传力路径截面上所有单元均发生破坏时，随着d(n)增加加载位置的支反力F(n)会下降，此时认定结构丧失承载能力，失效载荷的计算流程如图6所示。下面介绍Hashin准则和刚度折减方案：

Hashin准则：

纤维拉伸失效：

纤维压缩失效：

基体拉伸失效：

基体压缩失效：

刚度折减方案

当采用以上维Hashin失效准则判定单元失效时，将对复合材料损伤单元的性能进行突降。在不同损伤模式中，可以参照如下退化方式来对其进行定义：

(1)基体拉伸或压缩破坏：仅E₂、ν₁₂、ν₂₃退化到0；

(2)纤维拉伸或压缩破坏：E₁、E₂、E₃、G₁₂、G₁₃、G₂₃、ν₁₂、ν₁₃、ν₂₃。退化到相应每个变量都乘以折减系数k，根据相关文献，k取值为0.01；

(3)纤维－基体剪切破坏：仅G₁₂、ν₁₂退化到0；