[发明专利]一种复合材料结构参数的确定方法

说明书

本发明公开了一种复合材料结构参数的确定方法，包括如下步骤：设置复合材料初始参数，建立复合材料结构受载荷作用下的应力模型；基于应力模型，计算复合材料结构中铺层角度及纤维体积含量在工艺范围内的局部敏感性；根据三维稳定性判断标准，确定铺层角度及纤维体积含量的参数稳定域；基于遗传与粒子群混合算法对参数稳定域内的复合材料结构强度进行分析，获得最优强度下的铺层角度及纤维体积含量组合。本发明能够在保证复合材料结构性能的基础上，获得最优强度下的铺层角度及纤维体积含量组合，不但解决了现有复合材料结构性能不稳定等问题，而且使得复合材料结构的性能得到了优化和保障。

技术领域

本发明属于复合材料结构设计领域，具体涉及一种复合材料结构参数的确定方法。

背景技术

在复合材料结构制造过程中，复合材料结构参数的设计对最终结构的性能起到至关重要的作用。无论采用先进的复合材料缠绕成型、模压成型、或者拉挤成型等方法，其中涉及两个关键结构设计参数，即：铺层角度与复合材料的纤维体积含量。这两个参数的组合直接对成型的制品性能产生较大的影响，对其优化设计也一直是研究的重点。

目前，现有的文献多集中于对复合材料结构的铺层角度、纤维体积含量进行单因素优化，或者采用智能算法对多目标进行优化设计，继而改善复合材料结构的性能。这种方法虽然优化了铺层角度、纤维体积含量，但是该方法未对复合材料结构实际成型中出现的偏差因素进行考虑，使得按照优化后的设计参数而产生结构的性能稳定性较差。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种复合材料结构参数的确定方法，其提出了铺层角度及纤维体积含量全范围相互覆盖的稳定性优化设计方法，旨在提高复合材料结构设计稳定性的基础上确定最优参数组合，为复合材料结构设计提供新的设计方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种复合材料结构参数的确定方法，包括如下步骤：

S1：设置复合材料初始参数，建立复合材料结构受载荷作用下的应力模型；

S2：基于应力模型，计算复合材料结构中铺层角度及纤维体积含量在工艺范围内的局部敏感性；

S3：根据三维稳定性判断标准，确定铺层角度及纤维体积含量的参数稳定域；

S4：基于遗传与粒子群混合算法对参数稳定域内的复合材料结构强度进行分析，获得最优强度下的铺层角度及纤维体积含量组合。

进一步的，所述步骤S1中复合材料结构受载荷作用下的应力模型的建立过程为：

复合材料结构是以螺旋缠绕的正交层结构，涉及的圆柱坐标系下的位移-应变公式为：

其中，γ₀是单位长度的面扭转，ε₀是常数，u表示位移，ε及γ则为应变，k表示第k层；下标r，θ，z为圆柱坐标系下的三个方向。

对应的应力-应变公式为，

其中，为第k层刚度矩阵，σ为应力；

受力平衡方程为：

其中，σ_r，σ_θ，σ_θr，σ_zr分别表示各自下标方向对应的应力。

上述方程为复合材料结构在偏轴坐标系下的关系，但其是基于复合材料在正轴坐标系下的材料特性来计算。因此，需要根据偏轴与正轴坐标系间的关系进行求解，具体关系如下，

其中，