[发明专利]一种变刚度复合材料圆柱壳体的建模及优化设计方法

说明书

本发明公开了一种变刚度复合材料圆柱壳体的建模及优化设计方法；通过对圆柱壳体的几何模型进行单元离散化设计；对圆柱壳体的几何模型的离散单元赋予变刚度复合材料属性；对模型中的离散单元进行变角度参数赋值并建立有限元分析模型；以及对模型中的离散单元的参数化分析模型进行少量有限元分析并提取样本点，建立屈曲分析和优化设计的近似模型。该建模及优化设计方法通过离散有限元法和参数化编程，实现变刚度复合材料圆柱壳体的仿真分析模型的建立，在设计优化过程中引入神经网络近似模型，以纤维铺放起止角和铺层数量顺序为变量进行圆柱壳体力学性能的快速响应分析和优化设计，极大提高水下耐压圆柱壳体应用中的优化设计效率。

技术领域

本发明涉及复合材料回转体建模技术领域，具体地说，涉及一种变刚度复合材料圆柱壳体的建模及快速优化设计方法。

背景技术

作为水下航行器的核心部件，圆柱耐压壳体不仅需要具有较大的强度和较高的稳定性以保证其内部仪器设备安全，还必须具有较大的浮/重力比为水下航行器提供浮力储备。相比于传统的各向同性，如高强度钢、铝合金、钛合金等耐压壳体结构，复合材料耐压壳体具有重量轻、比刚度大、比强度高、耐腐蚀性好、结构可设计性、低噪隐蔽性好的特点，同时能够有效地提高水下航行器的负载能力，在水下航行器耐压结构方面具有较大的应用前景。

复合材料结构的优化设计是降低其设计周期和生产费用的关键，重点围绕如何充分利用复合材料性能的方向性和结构的可设计性来进行。而变刚度是纤维复合材料在铺放过程中采用曲线铺放的方式，铺层角度和刚度随着纤维角度的改变而变化，通过优化设计其路径和铺层参数，可最大限度的发挥复合材料性能，其与恒定刚度复合材料结构相比，变刚度复合材料结构性能可以提高10～30％。

目前变刚度复合材料耐压壳体的优化设计主要是通过有限元分析进行初步设计，试验测试进行验证来进行的。在变刚度复合材料耐压壳体的仿真建模分析方面，其连续变化的纤维铺层角和各种路径铺放方式的不确定性导致了变刚度结构比较难以直接依靠现有商业软件进行建模；另一方面，变刚度复合材料结构的优化设计过程通常基于重复有限元计算与迭代来寻求最优解，故设计分析周期较长，效率不高。因此，准确合理建立变刚度复合材料圆柱壳体的有限元分析模型以及快速获得其优化设计参数，对于变刚度水下耐压壳体的分析和设计具有重要意义。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种变刚度复合材料圆柱壳体的建模及优化设计方法。

本发明的思路是:通过离散有限元法和参数化编程来实现变刚度复合材料圆柱壳体的仿真分析模型的建立，并在设计优化过程中引入神经网络近似模型，以纤维铺放起止角和铺层数量顺序为变量，来进行圆柱壳体力学性能的快速响应分析和优化设计，解决其变刚度复合材料在水下耐压圆柱壳体应用中的分析周期过长的问题，极大提高其优化设计效率；该方法在提高变刚度复合材料圆柱壳体结构设计和优化效率方面具有广泛的推广意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

一种变刚度复合材料圆柱壳体的建模及优化设计方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.对圆柱壳体的几何模型进行单元离散化设计；

根据复合材料纤维路径线性变化的数学模型来对几何模型进行离散化设计，纤维角度变化的数学模型表达式如下:

式中，θ为纤维角度，T₀为圆柱中点处纤维角度，T₁为圆柱端点处纤维角度，x为轴向坐标，L为圆柱壳体长度；依据该表达式，将圆柱壳体的三维几何模型沿轴向坐标均匀等分为若干圆环结构，按照设计的有限元分析的网格尺寸，将每个圆环进一步细化为离散单元；

步骤2.对离散单元赋予变刚度复合材料属性；