[发明专利]一种纤维缠绕复合材料发动机壳体的铺层角度优化方法

说明书

一种纤维缠绕复合材料发动机壳体的铺层角度优化方法，其特征在于：利用网格理论对纤维缠绕复合材料发动机壳体进行结构设计分析，由于在发动机壳体的筒身段为主要受力部件，故对筒身段进行分析，以纤维缠绕复合材料发动机壳体纤维缠绕角度作为约束条件，将环向与纵向爆破压强相加，经对粒子群算法的优化，对纤维缠绕复合材料发动机壳体进行缠绕角度优化，达到承载能力最大化，将梯度搜索加入传统的粒子群算法中，优化改进传统粒子群算法，改进全局最优解的更新速度，调整梯度优化传统粒子群算法精度；对惯性权重和学习因子进行优化，加快收敛速度，利用改进的粒子群算法，对纤维缠绕复合材料发动机壳体铺层角度进行优化设计，满足设计使用需求。

技术领域

本发明属于材料优化领域，尤其涉及一种纤维缠绕复合材料发动机壳体的铺层角度优化方法。

背景技术

纤维缠绕发动机壳体是发动机主要受力结构，研究复合材料壳体的受力分析及优化设计在生产制造中是切实可行的，也是必不可少的，广泛应用于航空航天、交通运输等重要领域。

发动机壳体通常要求满足设计使用需求的情况下，承载能力越大越好。但是，目前对于纤维缠绕复合材料发动机壳体通常进行质量优化，优化铺层厚度或对纤维缠绕层铺层顺序进行优化，通常操作较复杂，实际生产制作中也具有较大的困难。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种在满足纤维缠绕复合材料发动机壳体设计使用需求的同时，使实际加工制造简单的纤维缠绕复合材料发动机壳体的铺层角度优化方法。

本发明所述纤维缠绕复合材料发动机壳体的铺层角度优化方法，利用网格理论对纤维缠绕复合材料发动机壳体进行结构设计分析，由于在发动机壳体的筒身段为主要受力部件，故对筒身段进行分析得知，筒身段纵向爆破压强为：

筒身段环向爆破压强为：

式中，R为筒身段半径；

h₁与h₂为纤维缠绕复合材料发动机壳体纵向与环向厚度；

K_S为应力平衡系数；

σ_fb为纤维发挥强度；

α为纤维缠绕复合材料发动机壳体纤维缠绕角；

取角度α范围为20°≤α≤30°作为约束条件，并以α为优化设计变量，将环向与纵向爆破压强相加，取其极大值，即纤维缠绕壳体承载能力最大；

将h₁、h₂、K_S、σ_fb、α数值带入筒身段环向与纵向爆破压强中，计算后的公式带入粒子群算法中，对纤维缠绕复合材料发动机壳体进行缠绕角度优化，达到承载能力最大化，即完成纤维缠绕复合材料发动机壳体的铺层角度优化。

本发明所述纤维缠绕复合材料发动机壳体的铺层角度优化方法，所述粒子群算法进行优化改进；粒子群算法优化改进的具体步骤包括：

设定初始参数，设置最大迭代次数k_max，最大速度v_max和种群大小NP；

优化后粒子群的位置和速度，计算公式如下：

式中分别表示第i个粒子的第j个变量在第k代的位置和速度；

分别表示第i个粒子的第j个变量在第k+1代的位置和速度；

分别为第k代中第i个粒子的个体最优值和种群的全局最优值；

r₁、r₂为0到1的随机数；