[发明专利]等厚度复合材料层板的顺序优化设计方法

摘要

一种等厚度复合材料层板的顺序优化设计方法，在铺层序的设计中考虑了复合材料力学模型对目标函数的影响，并构建起一套简单高效的铺层设计策略，不仅能够优化层合板的弯曲刚度参数，同时能够很好的处理各个工程约束。本发明提出的层合板优化设计方法可使工程设计人员从繁琐的层合板铺层序寻优问题中解脱出来，能够迅速确定满足弯曲性能和工程约束的最优层合板铺层序。

主权项

一种等厚度复合材料层板的顺序优化设计方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，各铺向角厚度的离散化；各铺向角厚度连续变量的离散化是对各铺向角的厚度按照四舍五入的原则进行圆整，使各铺向角的厚度r0、r45、r‑45和r90分别为单层厚度t的整倍数，按常规的碳纤维的单片制作厚度取整，得到各铺向角层数nθ；所述nθ＝rθ/t，其中θ＝0°、45°、‑45°或90°；步骤2，检查层合板的总层数是否满足工程约束C4：所述工程约束C4为各铺向角铺层所占比例≥10％；若检测结果Ri满足工程约束C4，继续步骤3；若检测结果Ri不满足工程约束C4，则增加ni的铺层数使该铺向角的层数刚满足工程约束C4为准，每次增加一个铺层，即ni+1→ni，其中“→”表示赋值运算；加入一层后继续检测是否满足Ri≥10％的要求：如果不满足继续增加铺层直至满足；如满足则铺层添加完毕；步骤3，构造基本铺层结构：具体是：第一步，将‑45°与45°的铺层数相加并赋值给n45，即n45+n‑45→n45；第二步，构造满足工程约束C2和C3的最简基本铺层结构，基本铺层结构是在前一步操作后的结果基础上，按初始给定的角铺层顺序在每个角铺层中各取一层构成，即(n0,n45,n90)＝(1,1,1)；第三步，在各角铺层的铺层数(n0,n45,n90)中减去最简基本铺层结构的层数，得到各角铺层的剩余铺层数；步骤4，插入铺层：具体是：4.1，选择剩余角铺层中数量最多的铺层，在铺层结构中由上表面至中面做试插入；4.2，试插入筛选，在已有铺层序中的每一个位置插入某一铺向角铺层：如果所有位置因违反工程约束C2和工程约束C3均无法插入则转步骤4.3；若可以插入，通过计算优化模型中的目标函数f2e，得到每一个试验插入位置的目标函数f2e，保留使目标函数f2e最小的铺层序；所述的目标函数f2e为每一个试验插入位置的目标函数；重复步骤4.1与4.2所述插入铺层过程，直到所有剩余铺层被插入完毕；4.3，插入铺层过程中，必须同时满足优化模型中的工程约束C2和工程约束C3；如果剩余铺层中数量最多的铺向角铺层因违反约束C2或C3无法插入时，则选择剩余铺层数最多铺向角以外的其它铺向角中能够满足约束C2和C3的铺层插入；此时该铺层序满足约束C2和C3；返回步骤4.1，继续插入后续铺层；如果剩余铺层中数量最多的铺向角铺层因违反工程约束C2和C3无法插入，且其它铺向角无剩余铺层时，则需要添加能够满足约束的铺向角铺层，且添层最少；此时铺层序满足约束C2或C3；返回步骤4.1，继续插入后续铺层；步骤5，置换铺层：由于层合板中仅含有三种铺向角0°、45°和90°，为满足均衡性要求，从层合板的上表面向中面将层合板中二分之一的45°铺层置换为‑45°铺层；步骤6，对冗余铺层进行删除：根据约束C1对层合板中的冗余铺层进行删除操作获得最轻铺层结构：具体是：第一步，根据优化模型中的公式检验约束C1：第二步，如果满足约束C1，进行铺层删除检测及删除操作：按照从层合板的铺层中面向上表面逐层检测每一个铺层是否可以删除，如果删除当前铺层不违反任何优化模型中的工程约束，将该铺层删除；如果删除当前铺层违反任一优化模型中的工程约束，跳过该铺层位置；所述的C1为力学性能约束；C2为各铺向角的连续铺层数不大于4；C3为相邻铺层铺向角改变不超过45°；C4为各铺向角铺层所占比例大于等于10％。