[发明专利]一种复合材料耐压壳体轻量化优化设计方法

摘要

本发明涉及一种复合材料耐压壳体轻量化优化设计方法，针对轻量化设计过程中多岛遗传算法的遗传和变异策略，提出一种“二步法”(TSM方法)，以提高算法的全局搜索能力，并针对复合材料带加强肋的圆柱壳体，提出一套高效的多岛模型参数，综合考虑复合材料的各向异性，通过对包括铺层数量、铺层角度、肋骨数量等参数的设计空间的寻优，找到一系列工作深度下的轻量化耐压壳体设计方案。

主权项

1.一种复合材料耐压壳体轻量化优化设计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：构建复合材料耐压壳体的设计变量，包括加强肋骨个数n、外部壳体循环铺层数n₁、内部肋骨循环铺层数n₂、肋骨长度a、第一外部壳体铺层角度α₁、第二外部壳体铺层角度α₂、第一内部肋骨铺层角θ₁和第二内部肋骨铺层角θ₂，记为向量[n,n₁,n₂,a,α_1,α₂,θ₁,θ₂]；步骤2：设定优化目标为结构重量最轻F(X):Minimize W＝(ρ₀V₀+ρ₁V₁)g其中：ρ₀外部壳体铺层材料的密度，ρ₁内部肋骨铺层的密度，V₀外部壳体的体积，V₁内部肋骨的体积；当外部壳体铺层采用[90₄/(±α₁/±α₂)_n1]_s，体积内部加强肋骨铺层方案为[(±θ₁/±θ₂)_n2]_s，体积其中：δ＝(8+8n₂)t₁外部壳体的厚度，D外部壳体的直径，L₀外部壳体的长度，t₁外部壳体铺层单层厚度；b＝8n₁t₂内部肋骨的高度，t₂内部肋骨铺层单层厚度；步骤3：初始种群初始化：随机生成一系列步骤1所述的设计变量，得到一系列初始复合材料耐压壳体的几何模型；步骤4：对复合材料耐压壳体的几何模型，对初始种群中每个壳体进行有限元分析，得到每个壳体在设置水深下变形和应力分布，筛选出满足强度和结构稳定性要求的耐压壳体，ranh然后取壳体重量的倒数作为初始值，在同一代中将初始值做归一化处理，作为个体适应度；每组设计变量对应一个壳体几何模型，得到了初始化种群的适应度；步骤5：采用多岛遗传算法流程对初始种群及种群中每个个体所对应的耐压壳体的适应度，执行多岛遗传算法操作进行寻优；在寻优过程中需要执行交叉和变异操作时，采用TSM方法，首先确定交叉位置，若交叉位置处对应的是加强肋骨个数、外部壳体循环铺层数和内部肋骨循环铺层数，则现将整数编码为二进制形式；若交叉位置处对应的设计变量为肋骨长度、第一外部壳体铺层角度、第二外部壳体铺层角度、第一内部肋骨铺层角和第二内部肋骨铺层角，则采用SBX方法完成交叉或变异；通过有限元分析得到适应度后，完成多岛模型中的移民、交叉、变异操作，最后得到指定深度压力环境下轻质化的的复合材料耐压壳体。