[发明专利]一种复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法

说明书

本发明公开了一种复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法，是以提高复合材料耐压壳体结构承压能力为目标的基于壳体刚度系数的铺层方式优化设计。设计构建铺层参数，包括不同的铺层角度φ_i，铺层角度对应的铺层层数N_i；建立目标函数来描述不同铺层方式所对应的刚度系数比与该最佳刚度系数比的接近程度，某个铺层对应的目标函数值越小，则代表该铺层对应的刚度系数比越接近最佳刚度系数比，其壳体性能越高。根据设计模型，利用遗传算法与经典层合理论，寻找到最佳铺层方式。利用经典层合理论计算个体的拉压刚度系数比和弯曲刚度系数比，代替有限元分析整个结构的强度和稳定性，极大地减少了计算量，提高了优化效率。

技术领域

本发明涉及水下航行器壳体结构设计领域，具体地说，涉及水下航行器复合材料耐压壳体的铺层设计方法。

背景技术

目前，水下航行器正朝着大深度、远航程以及轻型化的方向发展。水下航行器的壳体主要用于承受载荷，作为内部设备的支撑与包容，因此壳体结构设计在整个航行器系统设计中有着非常重要的地位，结构设计的好坏直接关系到整个航行器的系统性能和实际应用。耐压壳体作为水下航行器的主体结构，主要用于承受巨大的外部静水压力，从而保证水下航行器中作业人员的人身安全以及各种仪器设备的正常工作，因此，耐压壳体常被认为是水下航行器的“皮肤”和“骨骼”。大口径、薄壁、易变性、难加工、需要承受高压以及耐海水腐蚀是水下航行器壳体研制的难点，随着对水下航行器工作深度、航速、航程等性能指标要求的不断提高，水下航行器上相关组部件对重量和结构尺寸需求均有所增加，而受到发射平台、发射装置的限制，水下航行器的重量和结构尺寸的增加相对来说较为困难，尤其是对于要求装在于反潜巡逻机、直升机、水面舰艇发射以及空中投放使用的轻型水下航行器来说，这一矛盾更为突出，常用于制造水下航行器耐压壳体的金属材料，如高强度钢、铝合金、钛合金等很难满足现代化装备对水下航行器功能和载荷能力的高要求。于是，在现代工程、特别是航空航天领域已经广泛应用的复合材料逐渐的走入了人们的视野。

复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，并且有些性能是原来组分材料所没有的，复合材料改善了组分材料的刚度、强度、热力学等性能。由于较高的比强度、比刚度及优越的可设计性,加之海洋结构物发展的需要，工程上对复合材料海洋结构物越来越重视。但是同时，由于水下特殊的工作环境，加之纤维复合材料属于典型的各向异性材料，其结构的材料参数和几何参数增多，未知函数、控制方程、边界条件和初始条件增多，并且复合材料结构在一种外力的作用下，还可能会发生耦合现象，即除了引起本身的基本变形外，还可能引起其他的变形，例如拉剪耦合或者弯扭耦合，使得分析水下复合材料承压壳体结构的力学响应的难度增大。现有的设计方法常常结合于有限元方法对复合材料结构进行分析，然而复合材料耐压壳体的优化设计常常伴随着大量的设计参数，利用优化算法结合有限元分析往往需要分析大量的样本点，进行多次迭代才能得到满意的结果，需要大量的计算时间，这在一定程度上影响了复合材料耐压壳体的优化设计效率。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，克服水下航行器复合材料耐压壳体优化设计效率较低，以及常规的基于模型的壳体结构设计优化方法计算量过大、效率较低的问题，本发明提出一种复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定设计参数及其参数范围；根据水下航行器复合材料耐压壳体的结构对壳体进行参数确定，设计参数包括壳体的内径，壳体的长径比与径厚比；

步骤2.确定复合材料耐压壳体的铺层模式；构建铺层参数，铺层参数包括不同的铺层角度φ_i，铺层角度对应的铺层层数N_i；