[发明专利]一种针对自由曲面层合壳的形状与铺层顺序同步优化方法

说明书

本发明公开了一种针对自由曲面层合壳的形状与铺层顺序同步优化方法，利用NURBS技术创建自由曲面层合壳的几何模型，将控制点Z坐标和铺层角度同时作为优化变量，同时考虑形状和铺层顺序的优化。本发明考虑同时利用层合壳的材料可设计性和自由曲面的形状可设计性，具有显著的工程意义。

技术领域

本发明涉及一种针对自由曲面层合壳的形状与铺层顺序同步优化方法，属于复合材料层合壳的优化设计方法领域。

背景技术

复合材料层合壳具有结构多样性较好、参数可设计性强、性价比优的优点。自由曲面层合壳则通过形状设计可充分发挥层合壳的优点，因此在土木、航天等领域得到了广泛应用。自由曲面层合壳可通过对形状和铺层顺序的优化来获得最优受力性能。

在本发明前，针对自由曲面层合壳的优化为形状和铺层顺序的两级优化，或分步优化，即先进行形状优化，在此基础上再进行铺层顺序优化，或反之。这些方法的问题是在优化中没有考虑形状和铺层顺序的耦合作用，因此所获得的解并非真正的全局最优解，对结构的经济性、安全性具有不利影响。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种针对自由曲面层合壳的形状与铺层顺序同步优化方法，利用NURBS技术创建自由曲面层合壳的几何模型，将控制点Z坐标和铺层角度同时作为优化变量，同时考虑形状和铺层顺序的优化。本发明考虑同时利用层合壳的材料可设计性和自由曲面的形状可设计性，具有显著的工程意义。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种针对自由曲面层合壳的形状与铺层顺序同步优化方法，实现步骤如下：

步骤1，根据基于NURBS原理创建的自由曲面层合壳的几何模型，建立自由曲面层合壳的形状和铺层顺序同步优化的数学模型；

步骤2，编制Fortran程序，运行Fortran程序，读取Fortran输入文件里的参数，得到Fortran输出文件；其中，Fortran输入文件里的参数为步骤1中自由曲面层合壳模型的几何参数，包括所有控制点的X、Y和Z坐标、每个控制点坐标(X，Y，Z)对应的权因子和NURBS基函数的次数；Fortran输出文件是APDL格式的命令流文件，命令流内容包括单元类型、材料参数、截面参数、几何模型、边界条件、有限元网格划分方式和模态分析命令，其中材料参数包括弹性模量、剪切模量和泊松比，截面参数包括铺层层数、单层厚度和铺层角度，几何模型是和Fortran输入文件里的参数相对应的自由曲面层合壳的几何模型；

步骤3，将Fortran输出文件作为ANSYS输入文件，将其输入到ANSYS软件中得到ANSYS输出文件，ANSYS输出文件包含自由曲面层合壳的一阶自振频率结果；

步骤4，在Isight软件中选择内置的Optimization组件，并分别创建Fortran组件和ANSYS组件；在Fortran组件中分别集成Fortran输入文件、Fortran程序和Fortran输出文件；在ANSYS组件中分别集成ANSYS输入文件、ANSYS程序和ANSYS输出文件；

步骤5，在Fortran组件中，将Fortran输入文件里的控制点Z坐标设为优化变量；在ANSYS组件中，将ANSYS输入文件里的铺层角度设为优化变量，将ANSYS输出文件里的一阶自振频率设为目标函数；在Optimization组件中选择多岛遗传算法并设置算法参数，选中优化变量并设置优化变量的范围；选中目标函数并设置目标函数为求最大值；

步骤6，在Isight软件中设置优化终止条件，运行Isight软件进行优化；满足终止条件后停止优化，提取优化结果。

作为本发明的进一步技术方案，步骤1中自由曲面层合壳的形状和铺层顺序同步优化的数学模型具体为：

目标函数：maxf