[发明专利]一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法

说明书

本发明一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，属于陶瓷基复合材料结构设计技术领域。采用ABAQUS有限元软件建立陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型，实现了连接结构最大失效载荷的理论预测。基于拉丁抽样技术及响应面法建立了陶瓷基复合材料多钉连接结构优化目标函数，并采用模拟退火优化算法给出了连接结构装配及结构参数的优化设计方案，从优化设计的角度实现了陶瓷基复合材料多钉连接结构最大失效载荷的优化设计，摆脱了昂贵的试验设备及复杂的试验环节的制约，且该方法具有一定的通用性，具有良好的实际应用潜力，可以推广应用于航空航天、军事国防、能源化工等诸多技术领域。

技术领域

本发明涉及一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，属于陶瓷基复合材料结构设计技术领域。

背景技术

随着高性能航空发动机推重比的不断提升，未来发动机的进气口燃烧温度可能高于现有高温合金的熔点，甚至远远超过2000K。所以，对于可以在高温极端环境下服役的先进复合材料的需求正在快速的增长，尤其在高超声速飞行器领域，这种需要尤为迫切。陶瓷基复合材料(CMCs)由于其兼具低密度、高强度、耐磨性、抗氧化性、抗热震性、耐腐蚀性等多种功能，在极端条件工程领域受到广泛的关注和应用。由于制造大尺寸且结构复杂的C/SiC复合材料结构十分困难且造价高昂，因此具有可重复拆卸、高载荷传递能力、高可靠性、高性价比等特点的连接结构，在航空航天飞行器尤其是高超声速飞行器中得到广泛应用。作为复合材料整体结构的薄弱点，连接的优劣情况将会对其服役结构的安全性与使用寿命造成直接的影响。据统计，60％-80％的飞行器结构破坏都是由于连接部位失效[15]，这种情况在复合材料连接结构中更为明显。因此，螺栓连接件的强度分析与结构设计对提高结构承载效率及维护结构完整性起着至关重要的作用。目前，现有的文献多集中于对复合材料多钉连接结构进行单参数化设计，即保持其他参数不变只改变其中一个参数，最后获得单因素设计后的组合设计结果。该方法优化效率差，且结构设计结果的可靠性需要辅助试验结果进行检验，因此复合材料多钉连接结构的合理设计对航空航天热结构工程化应用具有重要的意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，旨在提高连接结构的承载效率，降低试验成本，节约资源与能源，以便于指导实际生产过程中陶瓷基复合材料连接结构的装配及工程应用。

一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、给定陶瓷基复合材料多钉连接结构的装配间隙、预紧力、钉间距及钉边距的设计参数范围；

步骤二、对给定的陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量范围，采用拉丁超立方抽样技术生成N组设计变量组；

步骤三、选定其中一组设计变量矢量，采用ABAQUS软件建立单轴拉伸条件下陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型，获得所述变量组对应的连接结构最大失效载荷；

步骤四、更换陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量组，重复步骤三，获得N组设计变量组及其对应的结构最大失效载荷样本数据；

步骤五、根据最小二乘法则建立陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量与失效载荷的多项式响应面，并将该函数作为连接结构优化设计的目标函数；

步骤六、采用模拟退火优化算法对陶瓷基复合材料多钉连接结构进行迭代寻优，直至满足优化算法收敛准则；

步骤七、获得陶瓷基复合材料多钉连接结构钉孔装配间隙、预紧力、钉边距及钉间距的优化设计结果及其给定设计变量范围内的最大失效载荷，完成陶瓷基复合材料多钉连接结构优化设计。

进一步的，步骤三中采用ABAQUS软件建立单轴拉伸条件下陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型的步骤为：