[发明专利]基于铺层连续性准则的变厚度混杂复合结构设计方法

说明书

本发明公开了一种基于铺层连续性准则的变厚度混杂复合结构设计方法。针对变厚度混杂复合结构，划分子区域并确定各子区域的层数和载荷情况；根据载荷选取初始区域，采用遗传算法优化初始区域的铺层结构，嵌套约束模块使得符合实际生产条件；根据初始区域的铺层结构结合载荷情况剩余子区域进行优化，计算目标值，根据目标值结合制造约束获得满足所有制造约束的剩余子区域的最佳铺层结构；获得最终铺层结构方案制造变厚度混杂复合结构。本发明纳入了多种制造约束，增强了该结构的可制造性，能有效降低结构整体质量，同时结构完整性不会受到损害，使整个结构质量最小化和成本最小化的同时还实现了复合结构整体性能最优，增强了优化结果的适用性。

技术领域

本发明涉及一种复合产品结构设计方法，具体涉及一种基于铺层连续性准则的变厚度混杂复合结构设计方法。

背景技术

复合结构具有比强度高、比刚度高和质量轻等一系列优点，广泛应用于航空航天、船舶和汽车等领域。与常规复合结构相比，变厚度混杂复合结构具有改善材料性能、降低成本和设计灵活等显著优势。针对变厚度混杂复合结构的设计，现有设计方法存在诸多问题，例如，缺乏对制造约束的添加，不能保证铺层结果的最优性，缺乏对相邻区域间铺层连续性的考虑等。这将导致相邻区域间铺层不一致，致使结构在铺层过渡区出现应力集中，造成基体开裂和分层现象的发生。

当前，复合结构常用单一材料进行优化设计，特别是变厚度复合结构设计中，大多是用碳纤维增强复合材料，然而，该种优化技术存在诸多缺陷：

单一材料性能存在不足，使得结构总体性能尚不能满足需求；

碳纤维增强复合材料制造成本高，难以重复使用和处置。

通过在变厚度混杂复合结构设计过程中纳入铺层连续性准则，就能显著避免过渡区应力集中现象的产生，此外，将混杂多材料引入到变厚度复合结构中，能有效弥补材料之间的缺陷。以碳纤维和玻璃纤维为例，前者模量高延伸率低且成本相对比较高昂；后者模量低延伸率高且成本相对低廉，如果将二者有效结合就能改善结构整体性能。因此，考虑相邻区域间铺层一致性的变厚度混杂复合结构具有巨大优势。

发明内容

针对现有复合结构设计中存在的问题，本发明提供了一种基于铺层连续性准则的变厚度混杂复合结构设计方法，通过纳入更多制造约束以及多材料分布进而解决上述背景中提到的一些问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

S1、针对变厚度混杂复合结构，划分子区域并确定各子区域的层数和载荷情况；

具体实施是可以针对变厚度混杂复合结构的各处不同厚度，建立优化模型划分子区域并确定各子区域的层数和载荷情况。

S2、初始区域的优化：

根据上述划分的子区域个数按照载荷从小到大排序确定各个子区域的优化处理顺序，选取其中载荷最小的子区域作为初始区域，采用遗传算法优化初始区域的铺层结构，铺层结构包括铺层顺序和铺层材料分布，同时在遗传算法中嵌套约束模块使得每次生成的铺层顺序和铺层材料分布符合实际生产条件；

每个子区域均有多层各向异性的材料构成，例如为纤维，各层的材料可以不同，各层的材料的布置角度方向也可以不同进行调整。

所述的铺层顺序是指各层中的材料的布置角度方向的组成，铺层材料分布是指各层中采用材料的组成。

S3、根据初始区域的铺层结构，选取S1中第二载荷大小的子区域为第二子区域；结合第二子区域的载荷情况对第二子区域进行优化，具体是在初始区域的铺层结构方案基础上，按照第二子区域的层数进行依次加层操作并再采用遗传算法对加层操作后的整体进行优化，得到加层操作时候层间隙的目标值，根据目标值结合制造约束获得满足所有制造约束的第二子区域的最佳铺层结构；