[发明专利]一种等厚度复合材料层合板的设计方法

说明书

技术领域

本发明是适用于复合材料层合板铺层设计，具体涉及一种设计等厚度复合材料层合板件铺层顺序的方法。

背景技术

复合材料结构在工程设计中以质量最轻为目标，需要同时满足力学性能要求与工程制造约束。在复合材料结构优化设计中，为了使结构能够同时满足上述两个要求：在第一阶段采用有限元软件对结构进行建模并使用数值优化方法进行优化设计，所获得复合材料层合板的各铺向角厚度是连续变量的形式，但由于层合板离散铺层的特性，使得该结果无法直接应用于工程制造；因此，在第二阶段采用离散优化方法对复合材料层合板的厚度及铺层顺序进行设计。在第二阶段的设计中，不仅要保障第一阶段的性能，同时需要满足工程制造约束。常规的优化方案往往以复合材料结构的某一单一性能为目标，如强度，屈曲，振动等，但难以满足复杂性能要求与工程制造约束。因此，本发明设计了一种在第二阶段能够保障复合材料结构性能并满足工程制造约束的设计方法。

文献1“Liu B,Haftka RT,Akgun MA,Todoroki A.Permutation genetic algorithm for stacking sequence design of composite laminates.Computer Methods Applied Mechanics Engeering.2000；186:357–72.”公开了一种在遗传算法基础上设计的排列遗传算法，对在既定工程约束与给定载荷工况下的层合板顺序进行了设计。但该方法在存在约束情况下，陷入了局部最优，并没有找到全局最优，且收敛速度较慢。同时，当铺层层数增多，角度增多时，该方法的搜索效率明显下降。导致其在应用于更大规模，和更多变量的层合板铺层设计优化问题中存在较大局限性。

专利2“方采文，薛大鹏，杨学萌，张树军，何续斌，刘朕.复合材料等厚度层压板铺层优化方法.中国，103399755A，2013-11-20.”公开了一种等厚度层压板铺层优化方法，首先进行基础铺层的四进制法优化，然后以四进制优化方法输出的参考序列为输入，通过强度计算工具进行二次优化，计算在特定载荷条件下当前层压板的单层最小安全裕度，将所有满足条件的参考序列按照单层最小安全裕度排序，输出单层安全裕度最大的五个序列。该方法通过建立一个从12到100层铺层且只包含0°、+45°、-45°、90°四个铺向角的基础铺层库，对不同受力状态下的层合板进行铺层优化设计。该方法的使用有一定局限性，它仅仅适用于4个固定的铺向角，且至多100层的层合板进行铺层设计。

发明内容

为了使得复合材料层合板的铺层优化设计切实应用于工程实践，本发明提出了一种等厚度复合材料层合板的设计方法。

本发明的具体过程是：

步骤1：对铺层进行原准；

步骤2：检测层合板中各铺向角层组在层合板中所占比例是否满足优化模型(6)中的工程约束(4)；所述的优化模型(6)中的优化目标即约束设置如下：

min:f₁＝ρtn

St:性能约束(1)

所述优化模型中，min表示最小化目标函数f₁，max表示最大化目标函数f₂，St表示优化目标的约束；其中，第一个目标f₁是保证单位面积质量最小，使层合板总质量最小；第一个目标f₁中，ρ为复合材料密度，t为层合板单层厚度，n为铺层的总层数；第二个目标f₂是为了保证第一阶段的性能要求得到满足且最优；

所述优化模型(6)的约束中，第一个约束(1)等价于性能约束，第二至第四个约束为工程约束，其中：所述第二个约束(2)铺向角连续约束是指层合板中相同铺向角的连续铺层数不超过3层；所述第三个约束(3)铺向角变化约束是指层合板中两相邻铺层发生铺向角变化时，铺向角的改变量不得超过45°；所述第四个约束(4)10％约束是指层合板中各铺向角的所占比例不低于10％，并将±45°作为一个层组。

步骤3：根据第一阶段性能优化中设置的初始层组顺序构造一个满足工程约束的基本铺层结构；按照第一阶段性能优化中设置的初始层组顺序，构造一个含有各铺向角铺层且层数最少，并满足工程约束的基本铺层结构；

所述第一阶段是指采用有限元软件对结构进行建模并使用数值优化方法进行优化设计，所获得的复合材料层合板的各铺向角层组厚度为连续变量。