[发明专利]一种面向混杂纤维复合材料板壳结构的快速协同优化方法

摘要

一种面向混杂纤维复合材料板壳结构的快速协同优化方法，属于复合材料结构优化设计技术领域，步骤为：1)建立备选材料库；2)建立三维有限元数值模型并进行几何分区；3)使用模型降阶方法建立降阶数值分析模型；4)建立优化列式，进行离散材料优化设计。采用连续插值函数表征材料库中的离散材料，依据模型的几何分区和优化目标及约束分配设计变量，采用降阶模型进行数值计算获得目标和约束响应，进行离散材料优化设计，实现多变量协同优化，获得最优设计构型。本发明能够实现混杂纤维复合材料结构的一体化设计，实现结构拓扑、纤维含量、纤维角度、铺层顺序等多层级变量的协同优化设计，满足结构功能需要的同时，减轻结构质量，降低材料成本。

主权项

1.一种面向混杂纤维复合材料板壳结构的快速协同优化方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，建立备选材料库；采用实验方法、解析方法或数值计算方法获得具有不同纤维体分比、不同微观纤维分布的复合材料的材料属性，并使用经典层合板理论计算不同纤维角度及铺层顺序层合板的一般壳刚度系数；将不同组合层合板的壳刚度系数作为离散材料优化中的设计变量，建立混杂纤维复合材料的备选材料库，为后续的离散材料优化做好准备；通过建立备选材料库，将具有不同强弱水平的材料收入备选材料库，将不同尺度的设计变量统一到同一层级，以实现混杂纤维复合材料结构的跨尺度、多层级变量协同优化设计；第二步，建立三维有限元数值模型并进行几何分区；建立复合材料板壳结构三维有限元数值模型，根据板壳结构的几何形状、功能要求将有限元数值模型进行几何分区处理；对板壳结构进行分区优化设计可以扩大结构的设计空间，后续通过离散材料优化可以获得每个相邻区域都为不同备选材料的变刚度板壳结构；第三步，使用模型降阶方法，建立降阶数值分析模型；使用模型降阶的方法降低有限元数值模型的维度，降低数值分析的计算成本，实现混杂复合材料快速协同优化设计；第四步，建立优化列式，进行离散材料优化设计；根据设计要求建立优化列式和离散材料优化模型，目标和约束依据设计初期的具体要求，包括刚度、频率、屈曲力学响应；优化列式的一般形式如下：其中，x为设计变量，x_i为设计变量第i个分量，L为设计变量的数量，u为力学控制方程，F为目标函数，G为约束函数；将第一步获得的备选材料库中的离散材料作为设计变量，使用连续插值函数表征备选材料库中的离散材料；将第二步获得的分区化三维有限元数值模型作为设计的几何模型，依据模型的几何分区和优化目标及约束分配设计变量；将第三步获得的降阶模型作为优化过程中使用的数值分析模型，使用降阶模型进行数值计算获得目标和约束响应，进行离散材料优化设计，同时进行混杂纤维复合材料纤维体分比、纤维角度、铺层顺序多变量、跨尺度协同优化设计，获得满足功能要求的最优设计构型。