[发明专利]复合材料层合板纤维连续二维优化基础模型及优化方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料优化技术领域，具体涉及一种复合材料层合板纤维连续二维优化基础模型及优化方法。

背景技术

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的铺层单层以宏观或微观形式复合而成的多相材料，由于其具有较高的比强度和比刚度，因此，已广泛应用于汽车、航空航天和航海等众多领域。

复合材料结构突出的特点为：其力学及物理性能与铺层厚度和铺层顺序紧密相关，根据结构的受力状况和使用要求，对铺层进行优化设计，可充分发挥复合材料的优势和潜力。

现在技术中，对于大规模结构，对复合材料进行优化设计的方法主要为分级/多级优化方法，即：将待优化的复合材料层合板按截面方向划分为几个区域，然后对每个区域分别进行铺层厚度和铺层顺序的优化，最终在提升其结构性能的前提下还能适当达到减重效果。但是，该种分级/多级优化方法，易导致各个区域之间的铺层顺序不同，进而导致铺层纤维的不连续性，一方面，铺层纤维的不连续会切断传力路径，将原本由纤维传递的载荷转移到基体上，进而导致各个子区域连接处的应力集中；另一方面，也会增加连接件的数量，降低结构的整体性能。

例如，如图1所示，为采用现有分级/多级优化方法得到的一个复合材料层合板的优化结果示意图，优化过程为：将待优化的复合材料层合板划分为3个区域，分别为图1中第1列对应的第1区域，第2列对应的第2区域以及第3列对应的第3区域；然后，分别对第1区域、第2区域和第3区域进行铺层厚度和铺层顺序的优化。由图1可以看出，以第1区域为例，共包括5个铺层，按自下而上方向，各铺层的铺向角分别为：0°、-45°、45°、90°和0°。从图1可以看出，第2行第1列的铺层铺向角为-45°，第2行第1列的铺层铺向角为90°，第2行第3列的铺层铺向角为-45°，可见，同一行相邻区域间铺层铺向角不一致，这一现象即为纤维不连续现象。

因此，为防止纤维不连续现象的发生，许多研究人员长期研究纤维连续性模型，主要提出了以下几种纤维连续性模型：

Liu和Toropov在分级优化中，将纤维连续性作为约束条件。为了度量相邻区域间纤维的连续性，定义了两种连续性指标：材料组分连续(material composition continuity)和铺层顺序连续(stacking sequence continuity)。Soremekun通过引入设计变量区域(design variable zones，DVZ)和子区域(sub-laminates，SL)两个概念进行复合材料纤维连续性分级优化设计。Adams通过在并行环境中采用迁移分布式遗传算法进行复合材料多区域设计，对每个区域分别进行优化，从而实现连续性模型。

然而，上述纤维连续性模型应用于一些工程特殊结构的优化设计时，即：层合板沿宽度方向划分为多行，每一行均为层削结构，并且，各行的根部区域即关键区域的厚度并不一致的特殊结构时，主要存在以下问题：设计变量数量众多、从而导致设计效率低。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种复合材料层合板纤维连续二维优化基础模型及优化方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种复合材料层合板纤维连续二维优化基础模型，包括：

参考层合板初始参数设置模块，用于设置以下参数的初始值：参考层合板总铺层组数初始值：指按自下而上顺序排列的铺层组数量；每个铺层组层数初始值；

被优化层合板初始参数设置模块，用于将需要优化的层合板沿宽度方向初始划分为m个区域，沿长度方向初始划分为n个区域，将每一个区域用W表示，由此得到以下m×n的矩阵：

其中，区域W_1,1、区域W_2,1…区域W_m,1也称为关键区域，其他区域也称为非关键区域；并且，对于任意第i行的n个区域，该行的非关键区域的铺层均来源于关键区域，且距离关键区域距离越远铺层数越少，该行关键区域的任意铺层组，可以延伸至该行其他某一非关键区域，也可以在延伸到该行某一非关键区域后中止，当某一铺层组在某一非关键区域中止后，在该非关键区域之后的其他非关键区域中，则不允许该铺层组重新出现；

另外，每一个关键区域均是通过以下方式从参考层合板中获得：按自上而下顺序从参考层合板最上层开始删除一定数量的连续铺层组，参考层合板剩下的连续排列的铺层组即为该关键区域的铺层方式；

由此，分别设置与每一个关键区域对应的按自上而下顺序从参考层合板最上层开始删除的连续排列的铺层组初始数量值；