[发明专利]一种变刚度复合材料板壳结构高效优化方法

说明书

本发明涉及航空航天结构中的复合材料结构设计，提供一种变刚度复合材料板壳结构高效优化方法，该设计方法基于等几何方法完成变刚度复合材料板壳结构的曲线纤维路径精确建模及屈曲分析，建立其等几何屈曲设计模型，推导变刚度复合材料板壳结构屈曲响应的全解析灵敏度，并利用梯度类算法对变刚度复合材料板壳结构进行纤维路径的高效优化，得到满足工艺制造约束的最优结构。本发明能够显著提高变刚度复合材料板壳结构的承载效率，大幅降低产品研发周期。

技术领域

本发明属于航空航天结构中承力结构设计技术领域，涉及一种变刚度复合材料板壳结构高效优化方法。

背景技术

航天器承力结构轻量化可以减少制造结构所需的资源和能耗，这无疑能减少巨大的成本。由于较高的比刚度和比强度，复合材料板壳结构在现代航天工业复杂载荷承力结构的应用中愈发普遍。目前纤维增强复合材料层合板多采用平行顺直纤维铺放成型，且同层的纤维角度固定。考虑到制造工艺性约束，工程中常采用0°、90°和±45°的铺层方向，铺层纤维缺乏更为丰富的空间分布形式，也使结构的设计空间受限，不能完全发挥复合材料板壳的承载优势。

随着复合材料制造技术的发展，纤维自动铺放技术使得纤维路径为曲线的变刚度复合材料板壳的制备成为可能。国外的纤维自动铺放技术发展很快，有较多的大型纤维铺放机投入使用。相比之下，国内的纤维铺放成型技术和装备尚处于原理性研究和工程样机研制阶段。国内外相关技术和设备水平的提升，为纤维铺放技术创造了基本条件。

相比变刚度复合材料板壳结构的制造，其纤维路径设计也充满挑战。对于复合材料薄壁板壳结构，其抗屈曲性能直接决定了结构服役安全。但在传统的基于有限元方法的变刚度复合材料板壳结构屈曲分析中，由于单元离散导致变刚度设计中的纤维铺层角度不再连续光滑。该处理方式在分析大型结构的力学行为时将可能导致严重的预测误差。为保证仿真计算的结果精度，只能采用增加单元数和节点数的方式，导致模型自由度数超高、分析效率低下。更重要的是，由于传统有限元方法无法提供解析灵敏度信息，只能采用差分方法来近似计算，导致计算量极大且容易陷入局部最优解，常导致优化失败，难以挖掘变刚度复合材料板壳结构的承载潜力。因此，现有的变刚度复合材料板壳结构优化方法无法实现曲线纤维路径的快速设计，即使应用代理模型技术，直接导致优化设计能力不足、产品研发周期极长。相比之下，等几何方法利用NURBS基函数和控制点代替传统有限元方法中的形函数和节点，使结构的设计、分析和优化模型具有相同的几何描述，使得CAD和CAE纳入到统一的框架下。等几何方法容易构造高阶协调单元，特别适合研究对近似函数有高阶连续性要求的曲线铺层问题，可推导获得全解析的灵敏度信息，为后续优化设计提供高效手段。

发明内容

本发明主要解决现有技术中变刚度复合材料板壳结构优化设计效率低的技术问题，提出一种针对变刚度复合材料板壳结构的高效优化方法，达到显著提高变刚度复合材料板壳结构的承载效率、大幅降低产品研发周期的目的。

为了达到上述目的，本发明技术方案为：

一种变刚度复合材料板壳结构高效优化方法，包括以下步骤：

步骤100，建立变刚度复合材料板壳结构的等几何屈曲设计模型，包括以下子步骤：

步骤101，对特定的曲线纤维铺层，基于等几何方法实现纤维路径的参数化；所述的曲线纤维铺层包括：线性梯度函数、高阶曲面等高线函数、高阶Bézier曲线函数、拉格朗日多项式函数等。

步骤102，建立控制点角度与全场纤维路径的映射关系，并进行收敛性分析，较有限元方法以较少的计算时间保证屈曲分析的精确性。

步骤103，选定设计变量，建立变刚度复合材料板壳结构的等几何屈曲设计模型，得到等几何分析所需的输入数据；所述的设计变量为描述纤维路径的函数以及参数变量，所述的参数变量为描述纤维路径的角度。