[发明专利]等厚度复合材料层板的顺序优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料层合板的设计领域，具体是一种等厚度复合材料对称均衡层合板的铺层顺序优化方法。

背景技术

纤维增强型树脂基复合材料常以层合形式用于大面积壁板类承受面内及面外载荷的工程结构，工程中复合材料层合板通常由四种纤维方向即0°、+45°、-45°、90°的角铺层多个预浸料薄片叠合而成，关键设计因素在于解决好不同角铺层每一单层的交替顺序问题，以提高层合板的抗弯特性并避免工程应用中易形成的分层破损等问题；同时在工艺力学特性上要求复合材料层合板各铺向角的铺层量过中面对称，以避免工艺残余内力造成的壁板翘曲。复合材料层合板在工程设计中首先要确定各角铺层的整体厚度，再进行不同薄层的铺层序设计。各角铺层的整体厚度来自于壁板承载的结构力学分析与设计，本发明不再涉及其内容。铺层顺序设计是针对每一单个薄层操作，且不仅要满足力学分析的性能指标，又要满足多种工程约束要求，故又称之为层合板的离散铺层顺序优化设计。本发明即针对等厚度复合材料层合板提出的一种高效离散铺层顺序优化设计方法。

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铺层顺序进行了设计。但该方法在带有工程约束的目标优化中，陷入了局部最优，没有找到全局最优，且收敛速度较慢。同时，当铺层层数增多，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.复合材料等厚度层合板铺层优化方法.中国，103399755A，2013-11-20.”公开了一种等厚度层合板铺层优化方法，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合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。这种设计只是满足强度准则，实际上工程力学的约束还要包括屈曲、振动以及刚度特性等，其应用面有一定局限性。

由于复合材料层合板铺层的离散特性，使得其设计变量空间巨大。上述方法在搜索过程中均属于随机选优，即通过试算的方式来获得更优的铺层序，因此计算量较大，搜索具有一定的盲目性，且以上选优过程并没有考虑复合材料层合板的弯曲刚度特性。本发明立足于层合板的经典力学理论，通过理论推导得到层合板的弯曲刚度参数是关于铺向角的线性叠加函数，以此为基础构造了一个关于弯曲刚度参数的优化模型来控制铺层序的优化设计过程，使得铺层序的设计效率大幅提高。

发明内容

为克服现有技术中存在的收敛速度较慢、搜索效率低，以及应用面受限的不足，本发明提出了一种等厚度复合材料层板的铺层顺序优化设计方法。

1.本发明的等厚度复合材料层板铺层顺序优化设计方法分六个步骤实施：

步骤1，各铺向角厚度的离散化。对各铺向角的厚度按照四舍五入的原则进行圆整，使各铺向角的厚度r₀、r₄₅、r_-45和r₉₀分别为单层厚度t的整倍数，t按常规的碳纤维的预浸料单片厚度取，得到各铺向角层数n_θ。所述n_θ＝r_θ/t，其中θ＝0°、45°、-45°或90°。

步骤2，检查层合板的总层数是否满足工程约束C4。所述工程约束C4为各铺向角铺层所占比例≥10％。在检查层合板的总层数是否满足工程约束C4时，按R_i＝n_i/(n₀+n₄₅+n_-45+n₉₀)计算，其中i＝0°、45°、-45°和90°。

若检查结果R_i满足工程约束C4，继续步骤3。