[发明专利]一种考虑载荷与材料分散性的复合材料结构可靠性优化设计方法

权利要求书

1.一种考虑载荷与材料分散性的复合材料结构可靠性优化设计方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：

步骤(1)、根据复合材料结构具有多种失效破坏模式的事实，考虑其主要失效模式即基体破坏和纤维断裂进行设计；

步骤(2)、由于复合材料强度分散性及载荷加载具有随机的特性，在进行复合材料设计时，对其材料强度X_T、X_C、Y_T、Y_C、S进行B基准许用值的设计求解，对载荷的随机特性采用载荷放大系数C_S的方法进行保守设计，其中X_T，X_C分别表示X方向的拉伸和压缩强度许用值，其中Y_T，Y_C分别表示Y方向的拉伸和压缩强度许用值，S表示单层板的面内剪切强度许用值；

步骤(3)、初始层合板的结构为[0°/+θ°/-θ°/90°]，层合板面内尺寸为a×b，层合板的层数为n，其中a是纤维方向板的长度，b是垂直纤维方向板的长度，单层板的相对厚度为d_i,i＝1,2,…,n，其中d_i为第i层的厚度，0°方向为纤维方向，也即X方向，90°方向为面内垂直纤维方向也即Y方向；

步骤(4)、针对确定性复合材料层合板建立求解模型，初始考虑铺层角度为45°，也即θ＝45°，在面内拉伸载荷N_X,N_Y及面内剪切N_XY下进行复合材料应力求解，得出其三个主要方向应力σ_T,σ_L,σ_S，然后通过最大应力强度准则对结构进行约束，求解出第i单层板的初始相对厚度(d_i)₀，优化模型为：

其中，M为优化目标函数，(d_i)₀为第i单层板的初始相对厚度，n为单层板的层数，g_m,g_f分别为基体破坏极限状态函数和纤维断裂模式下的极限状态函数，g_m≥0&g_f≥0表示单层板在该种失效模式下是安全的，基体破坏极限状态函数g_m表达式为：

纤维断裂模式下的极限状态函数g_f表达式为：

上述两个式子中：F_LL＝1/(X_TX_C),F_TT＝1/(Y_TY_C),F_SS＝1/S²

其中F_LL,F_TT,F_SS,F_L,F_T,F_LT仅为简化表达式而产生，无实际物理含义，σ_T,σ_L,σ_S分别表示单层板受载状态下求解出的最大拉伸、压缩及剪切应力；

步骤(5)、在上述步骤基础上，考虑材料强度及载荷的方差影响，通过可靠性分析方法进行单层复合材料层合板的可靠度计算，求得n个单层板的可靠度η₁,η₂…η_n，通过安全强度准则进行层合板可靠度计算，求得整个层合板的可靠度为η₀；

步骤(6)、然后对上述整个层合板进行系统可靠性优化，优化变量为铺层角度θ及单层板相对厚度d_i，约束条件为整个层合板的可靠度不小于η₀，优化目标为整个层合板的质量M最小，则系统优化模型为：

2.根据权利要求1所述的考虑载荷与材料分散性的复合材料结构可靠性优化设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中同时考虑载荷加载的随机性及材料强度的分散性影响，并通过载荷放大系数和材料B基准许用值进行不确定性的综合量化，并在此基础上进行复合材料结构设计。