[发明专利]一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法

说明书

本发明涉及一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法，包括：1、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，建立材料插值模型；2、对结构件进行有限元分析，提取灵敏度计算所需参数，建立铺层角度和总厚度设计变量的目标函数及约束条件；3、计算目标函数和约束条件的灵敏度；4、根据灵敏度，采用数学规划方法迭代求出目标函数最优解，更新铺层角度和总厚度设计变量的参数化模型；5、重复步骤2～4，直至结果收敛或达到最大迭代次数，得到FRP结构件最优铺层结构。与现有技术相比，本发明实现了结构与工艺的一体化设计，在满足性能要求和制造约束的前提下，有效提高FRP结构件的材料利用率和优化设计效率。

技术领域

本发明涉及复合材料结构件设计方法，尤其是涉及一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法。

背景技术

纤维复合材料具有比模量高，比强度高，耐腐蚀，抗疲劳性好，减震性好，密度低等优点。此外，纤维复合材料成型性好，可设计性强，可以通过改变纤维、基体种类、纤维体积分数、铺层角度、铺层厚度、铺层顺序以及结构拓扑等参数，达到结构件在实际使用过程中的工程性能要求，如刚度、强度、模态等性能指标。纤维复合材料可设计性强的特点使得其在轻量化方面具有巨大潜力，在诸如航空航天、汽车工业、船舶工程等学科领域得到了广泛的应用。

然而，不同于传统各向同性的金属材料，纤维复合材料具有各向异性，因此传统的结构优化方法不能够充分发挥其轻量化潜力。以往的研究多基于工程经验进行简单替代，或仅对复合材料进行厚度优化，或运用代理模型的方法进行参数优化，或采用分级式优化，轻量化效果有限。有必要针对这些问题，深入研究纤维复合材料设计变量的参数化方法，采用合理的优化算法，对FRP结构件进行结构优化。

对于纤维增强复合材料(FRP)，现有商业软件如Optistruct需经过自由尺寸优化、尺寸优化等过程进行分级式优化，该过程的缺点是铺层角度和铺层厚度的优化不能有效的统一起来进行优化，使得优化结构的优化效果并不显著，此外，该方法不能考虑拓扑结构会产生相同角度铺层过多连续、铺层结构不对称及中间空心等缺陷，导致优化结果与实际产品性能差别大。因此，针对FRP复合材料，应同时将铺层角度和铺层厚度作为优化设计变量，并在此基础上，引入制造工艺约束，实现复合FRP结构件的结构与工艺一体化设计，充分发挥FRP复合材料的性能。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN106202597A(公开日为2016年12月07日)公开了一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法，该技术对结构进行分级优化，第一级进行拓扑优化，第二级在第一级优化的基础上进行铺层优化，确定铺层角度、厚度，结构减重明显。但该技术将拓扑优化与铺层优化分开进行，使得优化结果具有局限性，不能充分发挥复合材料的优异性能。

中国专利文献CN105711106A(公开日为2016年6月29日)公开了一种轻量化的复合材料汽车尾门，采用了模块化的设计理念，充分发挥了纤维增强复合材料可设计性强、易成型复杂形状的特点，在保证汽车安全性的前提下，减少了汽车尾门的零部件数量，降低了汽车车身的重量。但是该技术对于结构设计是基于工程经验积累基础上进行的，缺乏理论方法的支持，不能保证设计结构为最优结构。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种FRP结构件的结构与工艺一体化设计方法，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；