[发明专利]对称复合材料层合板弯曲刚度铺层序优化设计方法

说明书

本发明提出一种对称复合材料层合板弯曲刚度铺层序优化设计方法：通过线性和非线性敏度检测技术，在某一特定铺层位置筛选敏度铺向角，使用该敏度铺向角从中面位置向外部位置顺序地替换已有铺层铺向角进行寻优。本发明能有效解决等厚度复合材料层合板铺层序设计空间的组合爆炸问题，达到极大提高弯曲刚度且提升设计效率的目的。

技术领域

本发明涉及复合材料层合板技术领域，尤其涉及对称复合材料层合板弯曲刚度铺层序优化设计方法。

背景技术

现代航空器薄壁结构中已广泛应用碳纤维增强的树脂基复合材料，单向带是指厚度约0.2mm左右的单向纤维及树脂混合制成的薄片，将单向带按不同取向角层叠 在一起的板称为复合材料层合板或层合结构，取向角又称铺向角，某个铺层及其取 向角统称为角铺层，或简称为铺层。等厚度复合材料层合板多用于机体内部的板壳 结构如：加筋板、加筋肋等结构件。复合材料层合板的刚度特性分为面内拉剪刚度、 面外弯扭刚度以及两者的耦合刚度特性，面内刚度特性与角铺层的位置无关，面外 刚度则与角铺层位置呈三次方关系。当铺向角及铺层数一定时，从整体力学性能上 层合板铺层设计的主要任务是要获得最大面外刚度的一组铺层顺序，以提高层合板 的抗弯曲变形能力。另外，工程中通常仅使用对称铺层的层合板，即层合板几何中 面两侧的角铺层完全相同，这种层合板可避免非对称铺层导致的不利于承载的耦合 刚度特性。

层合板铺层序设计是一个高维离散变量的设计优化问题，变量包括总层数、铺 向角、铺层构形、铺层序等。工程中通常采用几种固定的铺向角，如{0°,45°,-45°,90°} 等。然而，即使只采用四种铺向角，对于一个64层的对称层合板而言，其铺层序的 组合数或变量设计空间可达4³²≈1.8446×10¹⁹。可见，随着铺层厚度和铺向角增多， 设计变量空间呈级数式递增并发生组合爆炸。同时在复合材料层合板设计中，优化 设计目标关于离散变量具有隐函数特征，这使得该问题计算量巨大且可能存在多个 满意解。但也正因为其高维设计的自由度，满足特定力学性能约束的轻重量刚度剪 裁方法成为轻型薄壁结构工程优化设计中的一项关键技术。

为解决好复合材料层合板铺层序的优化设计问题，过去30多年中，通常采用启 发式算法如遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法、蚁群算法等。然而，启发式算 法存在以下缺陷：

(1)优化结果对初始参数极为敏感，对同一个问题需反复试算确定合适的初始参数，且不当的初始参数将导致算法提前收敛于局部解。

(2)启发式算法的寻优策略，如交叉、变异、筛选等算子，并未考虑层合板铺层 的离散特性、刚度按层叠加规律以及刚度的内在敏度信息，这使得启发式算法计算 量大、迭代收敛慢。

(3)启发式算法需多点起步，初始点的不确定性导致优化结果具有随机性，从而无法保证算法找到全局最优。

(4)启发式算法对复合材料层合板的工程约束难于处理，如要求层合板中同一铺层连续叠放不能超过4层、相邻铺层铺向角之差须小于45°等。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种对称复合材料层合板弯曲刚度铺层序优化设计方法。

为达到上述目的，本发明的具体技术方案为：

对称复合材料层合板弯曲刚度铺层序优化设计方法，通过线性和非线性敏度检测技术，在某一特定铺层位置筛选敏度铺向角，使用所述敏度铺向角从中面位置向 外部位置顺序地替换已有铺层铺向角进行铺层序寻优。

进一步，具体包括如下步骤：

1)初始化：将候选铺向角逐个分配给层合板，层合板的所有铺层都设置为相同的铺向角，表达方程如下：