一種分區變厚度復合材料層合板的設計方法技術

一種分區變厚度復合材料層合板的設計方法，在翼面類結構連續變量的整體優化階段，以質量最輕為目標，以屈曲、變形、強度以及復合材料層合板固定的幾種角鋪層比例關系為約束，通過有限元建模與連續變量數值優化技術，實施整體結構以及復合材料壁板各分區角鋪層比例的優化。在離散變量優化階段，提出了復合材料變厚度蒙皮壁板離散變量優化策略，以實現變厚度壁板的整體鋪層序的設計。設計結果需要保障結構的力學性能和鋪層的最大連續性，同時滿足工程約束和制造要求。本發明專利技術能夠實現連續變量與離散變量間優化信息的有機聯系，既能保證連續變量優化結果給出的輕量化及整體力學性能，亦能滿足多類工程約束以及鋪層的最大連續性要求。

Design method of laminated composite laminates with variable thickness

A partition of variable thickness composite laminate design method, the overall optimization of continuous variables in the wing structure, with the lightest quality as the goal, to buckling, deformation and strength of composite laminates and several fixed angle ply proportion as constraints, through the finite element modeling and numerical optimization of continuous variables the implementation of the overall structure, optimization and composite panel of each partition layer angle ratio. In the discrete variable optimization stage, the discrete variable optimization strategy of composite variable thickness skin panels is proposed to realize the overall sequence design of variable thickness panels. The design results need to ensure the mechanical properties of the structure and the maximum continuity of the overlay, while meeting the engineering constraints and manufacturing requirements. The invention can realize the optimization of the organic connection information between continuous variables and discrete variables, which can ensure the lightweight and overall mechanical properties of continuous variable optimization results are given, also can meet the engineering constraints and the maximum continuous layer requirements.

【技術實現步驟摘要】
一種分區變厚度復合材料層合板的設計方法
本專利技術涉及復合材料層合板設計領域，具體是一種分區變厚度復合材料層合板的設計方法。適用于飛行器翼面蒙皮類結構分區變厚度復合材料層合壁板的優化鋪層設計方法。
技術介紹
纖維增強樹脂基復合材料具有比強度大、比剛度高、熱穩定性優良、疲勞和斷裂特性好以及力學性能可設計強等眾多優越性，一般可使結構重量減輕30％左右。因此，先進復合材料在航空、航天結構上的用量已經成為衡量其先進性的標志。復合材料層合板結構一般由不同纖維方向的單層薄片疊合而成，所述單層薄片即為層合板的鋪層。工程中由于工藝與力學的原因，層合板各鋪層的纖維方向固定取0°、+45°、-45°、90°四種，所述纖維方向即稱層合板的鋪向角，且鋪層序有嚴格的工程約束要求，這使得復合材料層合結構設計成為一個有約束的離散組合優化問題。飛機翼面結構承受著分布的氣動載荷并從翼尖到翼根形成內力累積效應，這要求翼面蒙皮沿翼尖到翼根以及前緣到后緣是分區變厚度的，以獲得等應力的輕重量設計。飛機翼面復合材料層合板設計的復雜性還在于需要滿足變形、穩定性以及強度等的力學特性，結合分區變厚度與離散化鋪層序約束，這將導致輕重量多約束的高維混合變量優化設計問題。一個層合板結構在固定離散鋪向角條件下，設計變量為角鋪層的整體厚度以及角鋪層的疊層順序，角鋪層的整體厚度又稱為該鋪向角的鋪層組厚度。工程中將整個問題按變量屬性分階段實施優化是一種高效的設計處理方法。目前最常用的復合材料層合板結構優化設計采用兩階段策略，即將四種角鋪層的整體厚度作為四個連續設計變量，并設定角鋪層整體厚度的鋪層序，在強度、穩定性及變形等約束下實施基于梯度算法的結構重量優化設計；在獲得各角鋪層整體厚度的基礎上，將每一鋪層作為離散變量采用啟發式算法進一步實施滿足工程鋪層約束的鋪層序優化，從而獲得工程有效的結構設計。但現有的兩階段優化策略在技術方法上尚不能實現兩階段的有機聯系，難于得到最優輕質結構設計結果，特別離散變量的鋪層序優化并不能有效滿足工程上變厚度壁板離散鋪層的最大連續性要求及復雜工程約束。同時啟發式算法在解決該問題時，由于高維的離散變量，使得啟發式算法容易陷入局部最優。當變厚度壁板結構的分區較多時，搜索空間呈級數式增長，啟發式算法計算量較大且難于找到最優解。文獻1“LiuDZ,ToropovVV,QuerinOM,BartonDC.Bi-leveloptimizationofblendedcompositewingpanels.JournalofAircraft2011；48:107118.”公開了一種變厚度復合材料盒式結構的兩階段優化策略：在第一階段以屈曲和應變為約束，以層合板的總質量最輕為目標采用有限元軟件Ansys進行層合板各角鋪層組整體厚度優化；在第二階段采用排列遺傳算法PermutationGA在連續性與工程約束下對變厚度壁板的鋪層序進行優化。但該方法僅僅只應用于9個板塊的變厚度區域，且并未考慮更復雜的工程約束。在第二階段的優化中，需要設置啟發式算法的初始種群大小、代數以及變異參數等，這些參數的設置將直接影響優化結果，如果參數設置不當將造成無法找到最優解。同時在第二階段的層合板融合設計中，共享鋪層融合方法Shared–layerblendingmethod無法應用于更大規模更多分區的變厚度復合材料層合板結構的設計中。所以該方法在變厚度復合材料設計中存在有局限性。文獻2“IrisarriFX,LasseigneA,LeroyFH,RicheRL.Optimaldesignoflaminatedcompositestructureswithplydropsusingstackingsequencetables.CompositeStructures2014；17:559-569.”公開了一種分區變厚度復合材料壁板結構離散變量優化策略：對一個18板的分區變厚度復合材料壁板結構，在給定邊界條件與各分區載荷工況下，考慮復雜工程約束，采用疊層順序表Stackingsequencetable和進化算法Evolutionaryalgorithm進行了鋪層序優化，獲得了滿足所有工程約束的最輕結構質量。但進化算法有較多初始設置參數，該問題種群迭代超過4000代，用了1個小時進行搜索獲得最優解。參數設置對結果具有較大影響，如果參數設置不當，有可能找不到最優解；同時算法的計算量大，對于更大規模的變厚度壁板板塊優化問題可能失效。
技術實現思路
為克服現有分區變厚度復合材料層合板鋪層序優化方法存在計算規模大且難于有效實施工程約束的技術缺點，本專利技術提出了一種分區變厚度復合材料層合板的設計方法。本專利技術的具體過程是：步驟1，獲取有限元優化結果連續變量的厚度及各分區剛度。步驟2，圓整連續變量厚度。采用圓整策略將得到的各鋪向角厚度連續變量離散化。所述步驟2中的連續變量離散化的過程是：2.1對每一個分區各角鋪層0°、±45°和90°的連續變量數值進行四舍五入圓整；設圓整后的某一厚度分區層合板各鋪向角一半的鋪層數分別為：n0、n45、n-45和n90。n為某一厚度分區的總厚度即：n＝2(n0+n45+n-45+n90)；N為該分區1/2的鋪層數量N＝n/2＝n0+n45+n-45+n90，且設計過程均以N描述層合板的半厚度。2.2檢測圓整后各分區面內剛度參數A11相對于連續變量的是否減小，即是否成立。如果不成立：則添加0°鋪層，一次添加一層n0+1→n0，其中“→”表示賦值運算，直到剛度參數A11滿足條件如果成立，保留分區中各角鋪層數。2.3檢測各個厚度分區中工程約束C3的滿足性；若某角鋪層在該層合板中所占比例低于10％，則添加該角鋪層直到其比例達到10％。檢測時，按wi＝ni/(n0+n45+n-45+n90)計算，其中i＝0°、45°、-45°和90°，wi為該厚度分區鋪向角i所占的比例。2.3.1若檢測結果wi滿足工程約束C3，保留各角鋪層數；2.3.2若檢測結果wi不滿足工程約束C3，則增加ni的鋪層數使該鋪向角的層數滿足工程約束C3，且每次增加一個鋪層，即ni+1→ni，其中“→”表示賦值運算。加入一層后繼續檢測wi≥10％是否滿足：如果不滿足返回步驟2.3.2；如滿足則鋪層添加完畢。步驟3，執行全局共享鋪層策略。根據步驟1到2確定的各分區各角鋪層數量，計算獲取所有分區每一鋪層在整體域內的最大連續性。所述執行全局共享鋪層策略的具體過程是：以各厚度分區的編號和該厚度分區的鄰接矩陣作為預測各共享鋪層連通域輸入信息。將所有的厚度分區分為四個厚度分區組：檢測過厚度分區組、未檢測厚度分區組、鄰接厚度分區組和出現厚度分區組。將要被檢測的厚度分區被定義為當前厚度分區。所述各厚度分區組中：檢測過厚度分區組用于記錄所有被檢測過的厚度分區；未檢測厚度分區組用于記錄從未被檢測過的厚度分區；鄰接厚度分區組用于記錄當前厚度分區的相鄰厚度分區；出現厚度分區組用于記錄檢測過厚度分區組與鄰接厚度分區組的集合。通過鋪層分布預測算法得到整個區域各角鋪層的最大連續鋪層。3.1鋪層分布預測算法。所述鋪層分布預測算法的具體步驟如下：3.1.1將所有厚度分區放入未檢測厚度分區組，將第k個厚度分區作為當前厚度分區；所述的k是當前厚度分區本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種分區變厚度復合材料層合板的設計方法，其特征在于，具體過程是：步驟1，獲取有限元優化結果連續變量的厚度及各分區剛度；步驟2，圓整連續變量厚度；采用圓整策略將得到的各鋪向角厚度連續變量離散化；步驟3，執行全局共享鋪層策略；根據步驟1到2確定的各分區各角鋪層數量，計算獲取所有分區每一鋪層在整體域內的最大連續性；所述執行全局共享鋪層策略的具體過程是：3.1鋪層分布預測算法；以各厚度分區的編號與該厚度分區的鄰接矩陣作為預測各共享鋪層連通域的信息；將所有的厚度分區分為四個厚度分區組：檢測過厚度分區組、未檢測厚度分區組、鄰接厚度分區組和出現厚度分區組；將要被檢測的厚度分區被定義為當前厚度分區；所述各厚度分區組中：檢測過厚度分區組用于記錄所有被檢測過的厚度分區；未檢測厚度分區組用于記錄從未被檢測過的厚度分區；鄰接厚度分區組用于記錄當前厚度分區的相鄰厚度分區；出現厚度分區組用于記錄檢測過厚度分區組與鄰接厚度分區組的集合；通過全局共享鋪層算法得到整個區域各個鋪向角的最大連續鋪層；步驟4，執行全局連續鋪層結構策略；通過執行全局連續鋪層結構策略，使變厚度壁板鋪層序能滿足工程約束，具體步驟如下：4.1對步驟3中獲得的所有全局連續鋪層進行全排列，篩選出滿足工程約束的全局連續鋪層的鋪層序，并將該鋪層序稱為分區變厚度層合板的非可行全局基本鋪層結構；4.2將每一個非可行全局基本鋪層結構作為后續非全局連續鋪層插入的鋪層框架，重復執行整體鋪層序設計策略、刪除冗余鋪層策略和角鋪層添加策略，得到多個由非可行全局基本鋪層結構獲得的變厚度結構鋪層序；將每一個非可行全局基本鋪層結構作為后續非全局連續鋪層插入的鋪層框架，重復執行整體鋪層序設計策略、刪除冗余鋪層策略和角鋪層添加策略；4.3比較不同變厚度結構鋪層序相對于連續變量的剛度及質量增量，篩選出質量增量最小的鋪層序，即為最輕變厚度結構鋪層序；步驟5，統計變厚度壁板的優化設計結果。...

【技術特征摘要】
1.一種分區變厚度復合材料層合板的設計方法，其特征在于，具體過程是：步驟1，獲取有限元優化結果連續變量的厚度及各分區剛度；步驟2，圓整連續變量厚度；采用圓整策略將得到的各鋪向角厚度連續變量離散化；步驟3，執行全局共享鋪層策略；根據步驟1到2確定的各分區各角鋪層數量，計算獲取所有分區每一鋪層在整體域內的最大連續性；所述執行全局共享鋪層策略的具體過程是：3.1鋪層分布預測算法；以各厚度分區的編號與該厚度分區的鄰接矩陣作為預測各共享鋪層連通域的信息；將所有的厚度分區分為四個厚度分區組：檢測過厚度分區組、未檢測厚度分區組、鄰接厚度分區組和出現厚度分區組；將要被檢測的厚度分區被定義為當前厚度分區；所述各厚度分區組中：檢測過厚度分區組用于記錄所有被檢測過的厚度分區；未檢測厚度分區組用于記錄從未被檢測過的厚度分區；鄰接厚度分區組用于記錄當前厚度分區的相鄰厚度分區；出現厚度分區組用于記錄檢測過厚度分區組與鄰接厚度分區組的集合；通過全局共享鋪層算法得到整個區域各個鋪向角的最大連續鋪層；步驟4，執行全局連續鋪層結構策略；通過執行全局連續鋪層結構策略，使變厚度壁板鋪層序能滿足工程約束，具體步驟如下：4.1對步驟3中獲得的所有全局連續鋪層進行全排列，篩選出滿足工程約束的全局連續鋪層的鋪層序，并將該鋪層序稱為分區變厚度層合板的非可行全局基本鋪層結構；4.2將每一個非可行全局基本鋪層結構作為后續非全局連續鋪層插入的鋪層框架，重復執行整體鋪層序設計策略、刪除冗余鋪層策略和角鋪層添加策略，得到多個由非可行全局基本鋪層結構獲得的變厚度結構鋪層序；將每一個非可行全局基本鋪層結構作為后續非全局連續鋪層插入的鋪層框架，重復執行整體鋪層序設計策略、刪除冗余鋪層策略和角鋪層添加策略；4.3比較不同變厚度結構鋪層序相對于連續變量的剛度及質量增量，篩選出質量增量最小的鋪層序，即為最輕變厚度結構鋪層序；步驟5，統計變厚度壁板的優化設計結果。2.如權利要求1所述分區變厚度復合材料層合板的設計方法，其特征在于，所述步驟2中的連續變量離散化的過程是：2.1對每一個分區各角鋪層0°、±45°和90°的連續變量數值進行四舍五入圓整；設圓整后的某一厚度分區層合板各鋪向角一半的鋪層數分別為：n0、n45、n-45和n90；n為某一厚度分區的總厚度即：n＝2(n0+n45+n-45+n90)；N為該分區1/2的鋪層數量N＝n/2＝n0+n45+n-45+n90，且設計過程均以N描述層合板的半厚度；2.2檢測圓整后各分區面內剛度參數A11相對于連續變量的是否減小，即是否成立；如果不成立：則添加0°鋪層，一次添加一層n0+1→n0，其中“→”表示賦值運算，直到剛度參數A11滿足條件如果成立，保留分區中各角鋪層數；2.3檢測各個厚度分區中工程約束C3的滿足性；若某角鋪層在該層合板中所占比例低于10％，則添加該角鋪層直到其比例達到10％；檢測時，按wi＝ni/(n0+n45+n-45+n90)計算，其中i＝0°、45°、-45°和90°，wi為該厚度分區鋪向角i所占的比例；2.3.1若檢測結果wi滿足工程約束C3，保留中各角鋪層數；2.3.2若檢測結果wi不滿足工程約束C3，則增加ni的鋪層數使該鋪向角的層數滿足工程約束C3，且每次增加一個鋪層，即ni+1→ni，其中“→”表示賦值運算；加入一層后繼續檢測wi≥10％是否滿足：如果不滿足返回步驟2.3.2；如滿足則鋪層添加完畢。3.如權利要求1所述分區變厚度復合材料層合板的設計方法，其特征在于，步驟3中所述鋪層分布預測算法的具體步驟如下：3.1.1將所有厚度分區放入未檢測厚度分區組，將第k個厚度分區作為當前厚度分區；所述的k是當前厚度分區的編號，且從第一個分區遍歷到最后一個分區.；3.1.2將當前厚度分區k添加到檢測過厚度分區組與出現厚度分區組；根據鄰接矩陣判定，如果當前厚度分區k有鄰接厚度分區，那么將當前厚度分區k的鄰接厚度分區添加到鄰接厚度分區組與出現厚度分區組，轉3.1.3；如果當前厚度分區沒有鄰接厚度分區，轉3.1.4；3.1.3檢查鄰接厚度分區組，若鄰接厚度分區組中有未檢查的厚度分區，將未檢查的厚度分區中第一個作為當前厚度分區，將k更新為當前厚度厚度分區號，轉3.1.2；若鄰接厚度分區組中厚度分區全都檢查過，轉3.1.4；3.1.4檢查出現厚度分區組，如果出現厚度分區組有未檢查的厚度分區，將未檢查的厚度分區中第一個作為當前厚度分區，將k更新為當前厚度厚度分區號，轉3.1.2；如果出現厚度分區組中厚度分區全都檢查過，則所有出現厚度分區組中的厚度分區組成一個新的子域Rii，其中i為第i次共享操作，共享操作即指含有某一鋪向角θ的所有厚度分區的θ鋪層減去這些分區中最少的θ鋪層；j為形成的新的子域的編號，記錄該子域包含的所有厚度分區，轉3.1.5；3.1.5將所有出現厚度分區組中的厚度分區從未檢測厚度分區組中全部刪除，并將刪除的厚度分區的對應鄰接矩陣中的行與列置為全0；檢查未檢測厚度分區組中是否還有未被檢測的厚度分區？如果存在未被檢測的厚度分區，將未被檢測的厚度分區中第一個作為當前厚度分區，將k更新為當前厚度分區號，同時清空另外三個厚度分區組：檢測過厚度分區組、鄰接厚度分區組、出現厚度分區組，轉3.1.1；若所有厚度分區全部被檢測過，則區域分布預測結束，輸出所有子域Ri1、Ri2、…、Rim，其中i為第i次共享操作，m為形成的所有子域的總數；3.2全局共享鋪層算法：3.2.1輸入初始參數：輸入鄰接矩陣和每個鋪向角的鋪層數量；3.2.2查詢當前區域的共享厚度分區：對鋪向角θ，從所有的厚度分區中找到最少的θ鋪層，將該最少層數作為鋪向角θ的共享鋪層層數，且將所有厚度分區中鋪層數大于等于該最少鋪層數的厚度分區作為該鋪層覆蓋的區域，其中θ∈{0°、45°、-45°、90°}3.2.3檢測該區域的分布形式：調用算法3.1檢測區域中所有厚度分區的分布形式，區域被分成幾個子域：Ri1、Ri2、…、Rim，轉3.2.4；3.2.4從第j個子域Rij開始：從Rij的所有厚度分區中減去θ鋪層最少的共享層數；如果某一個厚度分區中θ鋪層為0，將該厚度分區從整個區域中刪除，后續θ鋪層的共享操作不再考慮該厚度分區，且其在鄰接矩陣中的相應行與列置為全0；3.2.5檢測剩余厚度分區的分布情況：如果子域Rij中的剩余厚度分區含有θ鋪層，轉3.2.2；否則，子域Rij的共享操作結束，轉3.2.6；3.2.6檢測子域是否全部經過共享操作：如果不是，j＝j+1，轉3.2.4；如果是，轉3.2.7；3.2.7檢測是否所有鋪向角都被檢測完畢：如果不是，θ更新為下一種鋪向角；如果是，全局共享鋪層算法結束，得到整個區域各個角鋪層的最大連續鋪層。...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫秦，景釗，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61