[发明专利]层合板离散铺层角度设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种层合板铺层设计方法，特别涉及一种层合板离散铺层角度设计方法。

背景技术

层合板由于其轻质、高性能、可设计性强，在航空航天领域得到越来越广泛的应用。层合板通常由多种不同纤维角的铺层复合而成，而每一层可能由具有不同纤维角的补片构成。工程应用中，通常纤维角度取一系列离散值。因此，层合板离散铺层角度设计能够实现结构的轻质高效的性能要求，尽可能的挖掘设计潜力，具有重要的理论和应用价值。

现有的层合板离散铺层角度设计方法主要有两大类。一类是采用遗传算法等作为优化算法。此类方法理论上具有全局寻优能力，并且能处理各类复杂性能要求；然而由于求解效率低下，此类方法无法用于多变量大规模问题的求解。另一类方法是将离散铺层角度设计问题转化为多相材料拓扑优化问题，采用灵敏度驱动的定量优化算法求解。此类方法求解效率高，因此适用于多变量大规模设计问题，但难以保证获得全局最优解，某些复杂设计要求也难以处理。

文献1“Stegmann J，Lund E.Discrete material optimization of general composite shell structures.International Journal for Numerical Methods in Engineering.2005.62：2009-2027.”公开了一种层合板离散铺层角度优化设计方法；在每一独立设计区域内，该方法每一铺层角度对应一个设计变量；对具有n个独立设计区域问题，每一区域内设计变量数目m_v与离散的铺层角度数目m相等；当铺层角度数目m较大时，该方法的设计变量数目也较大，从而在处理大规模问题时需要消耗大量存储空间和计算时间。

文献2“Bruyneel M.SFP-a new parameterization based on shape functions for optimal material selection：Application to conventional composite plies.Structural and Multidisciplinary Optimization.2011.43(1)：17-27.”公开了一种针对0°、90°和±45°四种铺层角度的层合板的优化设计方法；在每一独立设计区域内，该方法需要2个设计变量；对相同问题，该方法所需设计变量数是文献1设计方法的一半，但该方法只适用于4种铺层角度的层合板设计问题。

发明内容

为了克服现有的离散铺层角度设计方法中优化问题规模大的不足，本发明提供一种层合板离散铺层角度设计方法，该方法采用二值编码材料插值模型和相应的数学规划法，建立离散铺层角度优化模型，以结构整体刚度最大即柔顺度C最小为设计目标。该方法适用于任意数目离散铺层角度的设计问题，所需设计变量数目和优化问题规模均不大于现有方法，且当铺层角度数目较多时能够大大缩减变量数目和优化问题规模，可以满足实际工程需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种层合板离散铺层角度设计方法，其特点是包括以下步骤：

(a)对m个铺层角度设计问题，每个单元所需设计变量数目建立层合板设计空间有限元模型和设计变量初始值x_ik＝0，其中，i表示单元编号，k表示该单元相应的第k个设计变量；给定第j种铺层角度下单元i的刚度矩阵为K_i^(j)；采用以下公式设置系数s_jk的数值

sjk=1imod>istep2-1imod≤istep2]]>

其中

istep＝2^k