[发明专利]一种考虑疲劳可靠性的复合材料铺层优化设计方法

摘要

本发明公开了一种考虑疲劳可靠性的复合材料铺层优化设计方法，包括如下步骤：(1)建立结构有限元模型，依据载荷的重要形式采用不同的系数对各种工况下的结构响应进行加权求和，确定载荷工况；(2)选择结构优化区域以及待选铺层角度，作为后续铺层优化的变量；(3)进行第1步优化，即厚度优化。以结构的强度，刚度(结构的相对位移)疲劳可靠性作为约束，以结构的重量为优化目标进行第一步优化；(4)以强度作为约束条件，以强度比作为优化目标，以复合材料结构的铺层顺序为优化变量进行第二步优化。本发明可以提高复合材料结构的可靠性，缩短设计周期。

主权项

1.一种考虑疲劳可靠性的复合材料铺层优化设计方法，其特征在于实现步骤如下：步骤(1)、建立飞机结构的有限元模型，将复合材料结构设计区域的模型使用壳单元建立，输入铺层的材料种类，对结构赋以初始结构铺层属性；步骤(2)、总结结构在各种环境下的载荷工况，依据载荷的重要形式采用不同的系数对各种工况下的结构响应进行加权求和；步骤(3)、根据飞机结构形式及响应情况，将结构分为n个待优化区域，作为后续铺层优化的变量；步骤(4)、判断结构分区是否合理，如不合理跳过当前设计点，转到步骤(3)，重新对结构进行分区；步骤(5)、根据结构的工艺水平设置复合材料结构的铺层变量，将工艺能够加工的所有铺层角度分别作为超级层，每一层的厚度作为优化变量，将以上设计的超级层赋予每一个铺层分区，需要注意的是，各个相邻区域的铺层之间有公用的超级层；按照静强度覆盖疲劳的模型设计相关试验，按照下式求解式中的试验参数：R*(0)＝[(S*)c+σ0cK(S*)bN]1/c式中R*(0)代表静强度，S*为疲劳强度，N为疲劳寿命，σ0代表尺度参数，c、K、b都是试验常数，可以通过试验数据根据参数估计确定，其中S*为疲劳强度，为满足下式条件的最大循环应力，S*由下式确定：式中P代表存活率，S为许用应力，m为参数；步骤(6)、进行第一级优化，即厚度优化；以结构的强度，刚度，固有模态频率，疲劳可靠性作为约束，以结构的重量为优化目标进行第一步优化；步骤(7)、将步骤(6)中优化得到的各个角度铺层厚度进行圆整，使之成为工艺所能达到单层厚度的整数倍；步骤(8)、进行第二级铺层顺序优化；优化目标是第一级优化中的约束条件，即结构的强度，刚度，固有模态频率，疲劳可靠性；考虑结构铺层设计中的工艺原则，同一方向的铺层组多于四层；相邻两层间的夹角不超过60°作为一类约束条件，同时考虑结构强度作为约束条件，以复合材料强度比作为优化目标，以复合材料结构的铺层顺序作为优化变量，采用遗传算法对结构的铺层进行第二级优化，直到满足迭代终止条件。