[发明专利]一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法

权利要求书

1.一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立FRP结构件的有限元模型，参数化铺层角度和铺层厚度设计变量，得到参数化模型，并赋予初始值，通过罚函数法建立材料插值模型，

S2、对FRP结构件的各工况进行有限元分析，从有限元分析结果中提取灵敏度计算所需参数，建立铺层角度设计变量和总厚度设计变量的目标函数及约束条件，

S3、计算得到目标函数、约束条件对于铺层角度设计变量及总厚度设计变量的灵敏度，

S4、根据步骤S3得到的灵敏度，采用数学规划方法迭代求出步骤S2中目标函数的最优解，更新铺层角度和铺层厚度设计变量的参数化模型，

S5、重复步骤S2～S4，直至结果收敛或达到最大迭代次数，得到FRP结构件最优的铺层结构；

所述步骤S2中以结构件的各工况的加权柔度值最小为目标函数，所述约束条件包括：刚度约束，体积分数约束，相同铺层角度连续铺设层数约束，每层的铺层厚度约束，铺层结构对称约束；

所述每层的铺层厚度约束是用于防止铺层结构产生中间空心，包括：

其中，ρ_el为单元e在l层的铺层厚度，ρ_e为单元e的总厚度设计变量，β表示第三惩罚因子，s(l)是l层正交后的铺层坐标系，具体为：

其中，n^l为铺层总数。

2.根据权利要求1所述的一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法，其特征在于，所述参数化铺层角度和铺层厚度设计变量具体包括：

如果备选角度c存在于设计子域j铺层l当中，则x_jlc＝1，否则x_jlc＝0，以实现铺层角度设计变量的参数化；如果单元e的l层有铺层材料，则ρ_el＝1，否则ρ_el＝0，以实现铺层厚度设计变量的参数化；铺层角度及铺层厚度设计变量的参数化模型为：

其中，E_el为属于设计子域j的单元e在第l层铺层的本构矩阵，x_jlc为设计子域j在l层备选角度c下的铺层角度，ρ_el为单元e在l层的铺层厚度，E₀是一种假想的弹性模量很低的人工材料，目的是避免在优化过程中材料本构矩阵发生奇异，E_c为备选角度c的材料本构矩阵，n^c为备选角度的个数。

3.根据权利要求2所述的一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法，其特征在于，所述通过罚函数法建立材料插值模型具体为：采用RAMP插值模型建立材料插值模型。

4.根据权利要求3所述的一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法，其特征在于，所述RAMP插值模型为：

其中，q为第一惩罚因子，p为第二惩罚因子。

5.根据权利要求1所述的一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法，其特征在于，所述相同铺层角度连续铺设层数约束包括：

其中，t为第t层铺层，x_jlc为设计子域j在第l层铺层备选角度c下的铺层角度，n_s是相同铺层角度连续铺设的最大层数。

6.根据权利要求1所述的一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法，其特征在于，所述铺层结构对称约束包括：对称平面的对称单元具有相同的材料本构矩阵。