[发明专利]一种复合材料耐压壳体轻量化优化设计方法

说明书

本发明涉及一种复合材料耐压壳体轻量化优化设计方法，针对轻量化设计过程中多岛遗传算法的遗传和变异策略，提出一种“二步法”(TSM方法)，以提高算法的全局搜索能力，并针对复合材料带加强肋的圆柱壳体，提出一套高效的多岛模型参数，综合考虑复合材料的各向异性，通过对包括铺层数量、铺层角度、肋骨数量等参数的设计空间的寻优，找到一系列工作深度下的轻量化耐压壳体设计方案。

技术领域

本发明属于航海工程领域，涉及一种复合材料耐压壳体轻量化优化设计方法，应用于水下航行器的复合材料耐压壳体轻质化设计方法。

背景技术

现有水下航行器壳体结构设计方法多针对金属材料，而复合材料相对于金属具有质量轻、可设计号等特点，目前已被广泛应用于航空航天等多个领域，同时也是水下航行器耐压壳体材料的理想材料，复合材料壳体的耐压性能决定了水下航行器的工作深度。

在工程实际中，对于复合材料耐压壳体设计通常需要使用有限元分析，要想得到轻质化的设计方案，往往需要通过优化设计方法对设计空间搜索，因此需要将优化方法与有限元分析相结合，将耗时的有限元分析嵌套到寻优过程中，这种传统的设计方法虽然能提供可靠的轻质化设计方案，但设计周期较长，通常也需要大量的计算资源完成有限元分析。对于复合材料耐压结构设计，本身存在离散的整型变量和连续型变量混合的情况，本发明提供的设计方法提供了一种解决整型和连续型设计变量混合问题的方法，能够大幅度减少有限元分析的次数，显著缩短设计周期，同时提供可靠的复合材料耐压壳体轻质化设计方案。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种复合材料耐压壳体轻量化优化设计方法，提出以圆柱段耐压壳体减重为优化目标的高效可靠的改进多岛遗传算法，在解决离散的整型变量和连续型变量混合的同时，提高现有设计方法的效率。

技术方案

一种复合材料耐压壳体轻量化优化设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：构建复合材料耐压壳体的设计变量，包括加强肋骨个数n、外部壳体循环铺层数n₁、内部肋骨循环铺层数n₂、肋骨长度a、第一外部壳体铺层角度α₁、第二外部壳体铺层角度α₂、第一内部肋骨铺层角θ₁和第二内部肋骨铺层角θ₂，记为向量[n,n₁,n₂,a,α₁,α₂,θ₁,θ₂]；

步骤2：设定优化目标为结构重量最轻F(X):Minimize W＝(ρ₀V₀+ρ₁V₁)g

其中：ρ₀外部壳体铺层材料的密度，ρ₁内部肋骨铺层的密度，V₀外部壳体的体积，V₁内部肋骨的体积；

当外部壳体铺层采用[90₄/(±α₁/±α₂)_n1]_s，体积

内部加强肋骨铺层方案为体积

其中：δ＝(8+8n₂)t₁外部壳体的厚度，D外部壳体的直径，L₀外部壳体的长度，t₁外部壳体铺层单层厚度；

b＝8n₁t₂内部肋骨的高度，t₂内部肋骨铺层单层厚度；

步骤3：初始种群初始化：随机生成一系列步骤1所述的设计变量，得到一系列初始复合材料耐压壳体的几何模型；