[发明专利]一种考虑载荷与材料分散性的复合材料结构可靠性优化设计方法

摘要

本发明公开了一种考虑载荷与材料分散性的复合材料结构可靠性优化设计方法，其步骤如下：(1)根据复合材料结构特征，考虑材料分散性，确定结构的B基准材料强度许用值；(2)考虑结构中载荷的不确定性影响，采用工程设计中的载荷放大系数进行设计；(3)以最大应力准则为判断单层板结构是否发生破坏的标准，利用一次二阶矩方法计算单层板可靠度，进而求解系统总的可靠度指标；(4)根据复合材料结构优化设计理论，以复合材料铺层角度和厚度为设计变量，以保证结构具有不低于之前计算出的系统可靠度为约束，以结构重量最轻为目标，建立多目标优化模型，实现复合材料结构在考虑载荷放大系数与材料B基准值的设计方法下的结构可靠性优化。

主权项

1.一种考虑载荷与材料分散性的复合材料结构可靠性优化设计方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：步骤(1)、根据复合材料结构具有多种失效破坏模式的事实，考虑其主要失效模式即基体破坏和纤维断裂进行设计；步骤(2)、由于复合材料强度分散性及载荷加载具有随机的特性，在进行复合材料设计时，对其材料强度XT、XC、YT、YC、S进行B基准许用值的设计求解，对载荷的随机特性采用载荷放大系数CS的方法进行保守设计，其中XT，XC分别表示X方向的拉伸和压缩强度许用值，其中YT，YC分别表示Y方向的拉伸和压缩强度许用值，S表示单层板的面内剪切强度许用值；步骤(3)、初始层合板的结构为[0°/+θ°/‑θ°/90°]，层合板面内尺寸为a×b，层合板的层数为n，其中a是纤维方向板的长度，b是垂直纤维方向板的长度，单层板的相对厚度为di,i＝1,2,…,n，其中di为第i层的厚度，0°方向为纤维方向，也即X方向，90°方向为面内垂直纤维方向也即Y方向；步骤(4)、针对确定性复合材料层合板建立求解模型，初始考虑铺层角度为45°，也即θ＝45°，在面内拉伸载荷NX,NY及面内剪切NXY下进行复合材料应力求解，得出其三个主要方向应力σT,σL,σS，然后通过最大应力强度准则对结构进行约束，求解出第i单层板的初始相对厚度(di)0，优化模型为：其中，M为优化目标函数，(di)0为第i单层板的初始相对厚度，n为单层板的层数，gm,gf分别为基体破坏极限状态函数和纤维断裂模式下的极限状态函数，gm≥0&gf≥0表示单层板在该种失效模式下是安全的，基体破坏极限状态函数gm表达式为：纤维断裂模式下的极限状态函数gf表达式为：上述两个式子中：FLL＝1/(XTXC),FTT＝1/(YTYC),FSS＝1/S2其中FLL,FTT,FSS,FL,FT,FLT仅为简化表达式而产生，无实际物理含义，σT,σL,σS分别表示单层板受载状态下求解出的最大拉伸、压缩及剪切应力；步骤(5)、在上述步骤基础上，考虑材料强度及载荷的方差影响，通过可靠性分析方法进行单层复合材料层合板的可靠度计算，求得n个单层板的可靠度η1,η2…ηn，通过安全强度准则进行层合板可靠度计算，求得整个层合板的可靠度为η0；步骤(6)、然后对上述整个层合板进行系统可靠性优化，优化变量为铺层角度θ及单层板相对厚度di，约束条件为整个层合板的可靠度不小于η0，优化目标为整个层合板的质量M最小，则系统优化模型为：