[发明专利]非均匀纤维增强复合材料分布优化设计方法

摘要

本发明公开非均匀纤维增强复合材料分布优化设计方法，包括步骤：第一步、设计问题初始化；第二步、形成有限元刚度方程；第三步、求解有限单元刚度方程及应力、应变；第四步：优化材料的方向和密度；第五步：迭代收敛性检查；第六步：优化结果的后处理。本发明具有较高的优化计算效率，适合于任意不均匀分布的纤维增强复合材料优化设计方法。

主权项

非均匀纤维增强复合材料分布优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、设计问题初始化根据实际使用要求设定一个设计域，采用有限元方法将设计域划分有限单元，建立有限元模型，再根据实际工作状况对有限单元模型施加位移约束条件和荷载；初始化纤维增强复合材料在结点位置的方向和密度；第二步、形成有限元刚度方程根据当前纤维增强复合材料的分布形成结点位置的弹性矩阵，由结点位置的弹性矩阵，通过形函数插值得到有限单元内任意位置的弹性矩阵，再由弹性矩阵计算出有限单元刚度矩阵，接着由有限单元刚度矩阵按照结点对应位置累加得到结构刚度矩阵，最后由结构刚度矩阵得到有限单元刚度方程；第三步、求解有限单元刚度方程及应力、应变求解有限单元刚度方程，得到结构在结点位置的位移，并据此计算出结构单元内的应力和应变，再根据结构单元内的应变计算出结点位置的应变；由应力分量计算出主应力的方向以及主应力的方向的应变值；第四步：优化材料的方向和密度将纤维增强复合材料的两个主方向调整到主应力方向；根据满应力准则的应力比公式调整纤维增强复合材料在结点位置的密度值；第五步：迭代收敛性检查比较纤维增强复合材料在结点位置的方向和密度在两次连续迭代的相对变化量，当相对变化量小于一个预设的数值时，优化迭代结束；否则返回第二步；第六步：优化结果的后处理采用有限单元的形函数，根据纤维增强复合材料在结点位置的方向和密度插值得到各单元内部任意位置的纤维增强复合材料分布。