一种开孔复合材料的纤维轨迹优化方法技术

本发明专利技术提供了一种开孔复合材料的纤维轨迹优化方法，具体地，本发明专利技术提供了一种优化复合材料制件纤维轨迹的方法，包括采用如下的函数曲线族对于纤维轨迹进行优化：

【技术实现步骤摘要】
一种开孔复合材料的纤维轨迹优化方法
本专利技术涉及复合材料力学领域，具体涉及一种开孔纤维复合材料的力学性能优化方法。
技术介绍
纤维增强复合材料以其高比强度、高比刚度、良好的抗腐蚀性能以及良好的可设计性，近年来被广泛应用于航空航天、体育器材、新能源等多个领域。为了满足材料连接、减轻重量和视窗等要求，纤维增强复合材料结构件上常常需要开孔。然而，由于纤维增强复合材料力学性能的各向异性，开孔后产生的应力集中比传统各向同性材料开孔后要高得多，极大的降低了复合材料的力学性能。由于近年来国际上兴起了一些新颖的纤维铺放技术，例如AFP(AutomaticFiberPlacement)、TFP(TailoredFibrePlacement)和VAT(VariableAngleTowPlacement)等，这些技术使得纤维铺放角度可以发生连续变化，可采用连续纤维直接制备带开孔结构的复合材料，避免制件成型后开孔打断纤维。由于复合材料的可设计性也体现在纤维的可设计性上，纤维的排布可以极大地影响复合材料的力学性能。因此利用纤维铺放技术将纤维按照经过力学优化设计的纤维轨迹铺缝成纤维预成型体，再制作成结构件，使其能够充分发挥纤维的力学性能，可以显著提高复合材料结构件的强度和刚度。公开号为CN103722842A的中国专利技术专利申请公开了一种变刚度复合材料的制备方法，该专利技术专利包括了通过纤维的轨迹优化制备变刚度复合材料，初次提出了采用曲线拟合的方法根据主应力分布情况对纤维轨迹进行优化，从而得到制件的优化纤维轨迹，最后按照优化纤维轨迹制备变刚度复合材料。虽然该方法提到了用最小二乘法优化纤维轨迹的概念，但是其得到的优化结果并不是全局的最优解，只经过初始优化得到的优化轨迹并不能很好地改善复合材料结构件的力学性能。其复合材料的建模只考虑了纤维方向的非均匀性，并没有考虑纤维密度和织物厚度的问题，建模仅仅是在宏观尺度上进行的。要在模型中融入纤维密度变化，必然要涉及到细观力学问题。因为纤维密度变化涉及到的是材料属性的变化，也就是各个部位材料属性均不同。建立纤维密度变化与材料属性的关系就需要运用到细观力学问题，是一个非常复杂的建模过程。这就对纤维轨迹优化提出了一个更艰难的挑战。因此，综上所述，本领域迫切需要寻求一种既简单、易于实现又能够得到全局优化解的方法，以得到最优的纤维轨迹，最大程度地优化开孔纤维复合材料的力学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种简单、易于实现的设计最优纤维轨迹的方法，从而最大程度地优化开孔纤维复合材料的力学性能。本专利技术的第一方面，提供了一种优化复合材料制件纤维轨迹的方法，所述方法包括步骤：(1)采用有限元软件对设计的开孔复合材料制件进行静力分析，得到制件上各节点的第一主应力的分布，通过matlab对这些数值进行处理，得到第一主应力的矢量分布图；其中，所述的各节点为有限元模型的节点；(2)设计一个近似步骤(1)中提到的第一主应力矢量图中第一主应力方向分布的含有待优化参数的和函数曲线族；(3)利用非线性加权最小二乘法对曲线族进行优化拟合，得到一组局部优化参数解；(4)将所述步骤(3)得到的局部优化参数解作为后一次优化的初始纤维方向，依次重复步骤(1)～(3)进行循环优化，并计算优化的残差收敛值，直至达到收敛，所得到的即为全局的最优数值参数解；按照该最优参数解所对应的函数曲线族，得出对应的纤维轨迹；其中，所述的函数曲线族为一个分段函数，在影响域内是一个余弦函数，在影响域外为线性函数；该函数在X轴上半部分的方程为：该函数在X轴下半部分的方程为上半部分的相反数；式中：n＝1，2，3……，1N，2N，3N，且N为1-5的整数，其中v1n,max、v2n,max、v3n,min分别为v1n、v2n的最大值和、v3n的最小值；V为参数向量，且V＝[v1n,v2n,v3n。。。v1N,v2N,v3N]，当N＝1时，每个曲线族的有3个待求参数，v1,v2,v3是确定这个曲线族唯一性的三个待定参数(优选地，v1、v2、v3在取值范围内，根据经验设定初始值，或通过无需设置初值的1stopt软件来获取初始优化值)，在matlab中利用lsqnonlin算法进行优化拟合，最终得到一组最优的参数，从而确定曲线；N为1-10的整数，优选为1-5，更优选为2-4；t-曲线族系数，当优化向量V确定后，对于曲线族中的任意一点(xi,yi)，在matlab中将该点的坐标值代入该点所在曲线方程，可得出该点所在曲线的曲线族系数。例如在X轴上部分的某点，ti可以通过求解如下非线性方程得到:r-开孔复合材料制件的孔半径。在另一优选例中，所述的步骤(4)包括：步骤(1)-(3)重复直至每一轮优化后的收敛残差值达到一个较低水平的值后保持不变，或在这个值附近微小浮动，说明循环优化达到了最优状态，这个稳定的残差值对应的解即为全局的最优数值参数解。在另一优选例中，参数向量V的取值范围为：-1≤v1n≤0，0≤v2n≤200，v3n≥0，但由于v1n,v3n各乘以一个曲线族系数t，只要v1n/v3n为定值，无论v1n,v3n怎么变化，其函数代表的曲线族都相同，因此，为使一个优化参数V唯一代表一个曲线族且简化计算，常常可以将参数v3n固定为1。在另一优选例中，所述步骤(3)中的参数选自下组：第一主应力大小；且所述的优化包括：以曲线族在某一点的角度与该点对应的第一主应力方向之差作为最小二乘法优化的目标函数。在另一优选例中，所述的第一主应力大小通过以下公式计算：式中，σx-X方向上的主应力，取值为SX；σy-Y方向上的主应力，取值为SY；τxy-XY方向上的切应力，取值为SXY；所述的SX、SY、SZ、SXY、SYZ、SXZ是通过有限元软件提取的。在另一优选例中，所述的第一主应力的方向通过以下公式计算：式中：α0-第一主应力方向角(rad)；τxy-XY方向上切应力(kN)；σx-X方向上主应力(kN)；σy-Y方向上主应力(kN)。在另一优选例中，步骤(1)中所述的静力分析在50-150kN载荷下进行。在另一优选例中，当所述的制件为长宽比在3～5之间的矩形制件时，所述静力分析的载荷为80-120kN。在另一优选例中，所述的步骤(4)中，所述的依次循环优化包括：在第m次优化后，提取每个单元的的优化方向，以及节点的第一主应力信息，处理这些相关结果文件，得到第一主应力的大小和方向，并将所述优化结果作为第m+1次优化时候的初始方向赋予给模型；且在第m次优化后，求取第m次优化计算的残差收敛值。在另一优选例中，所述的方法还包括步骤(5)：(5)将纤维轨迹优化后的制件与未经优化的单向纤维复合材料制件的初始失效强度因子进行对比，进行实验验证。在另一优选例中，所述的步骤(4)包括：将第m次优化得到的优化参数作为第m+1次优化的基础，编写一个ansys子程序将第一次优化的纤维方向作为下一次优化的初始纤维方向，依次循环优化，采用matlab软件计算出每一次优化得到的残差收敛值，发现残差收敛值逐渐下降，最后达到收敛，说明得到了全局的最优数值参数解；在另一优选例中，所述的制件为纤维/树脂体系，且所述的纤维选自下组：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、天然纤维；所述的树脂选自下组：环氧树脂、不饱和树脂、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种优化复合材料制件纤维轨迹的方法，其特征在于，包括步骤：(1)采用有限元软件对设计的开孔复合材料制件进行静力分析，得到制件上各节点的第一主应力的分布，通过matlab对这些数值进行处理，得到第一主应力的矢量分布图；其中，所述的各节点为有限元模型的节点；(2)设计一个近似步骤(1)中提到的第一主应力矢量图中第一主应力方向分布的含有待优化参数的和函数曲线族；(3)利用非线性加权最小二乘法对曲线族进行优化拟合，得到一组局部优化参数解；(4)将所述步骤(3)得到的局部优化参数解作为后一次优化的初始纤维方向，依次重复步骤(1)～(3)进行循环优化，并计算优化的残差收敛值，直至达到收敛，所得到的即为全局的最优数值参数解；按照该最优参数解所对应的函数曲线族，得出对应的纤维轨迹；其中，所述的函数曲线族为一个分段函数，在影响域内是一个余弦函数，在影响域外为线性函数；该函数在X轴上半部分的方程为：

【技术特征摘要】
1.一种优化复合材料制件纤维轨迹的方法，其特征在于，包括步骤：(1)采用有限元软件对设计的开孔复合材料制件进行静力分析，得到制件上各节点的第一主应力的分布，通过matlab对这些数值进行处理，得到第一主应力的矢量分布图；其中，所述的各节点为有限元模型的节点；(2)设计一个近似步骤(1)中提到的第一主应力矢量图中第一主应力方向分布的含有待优化参数的和函数曲线族；(3)利用非线性加权最小二乘法对曲线族进行优化拟合，得到一组局部优化参数解；(4)将所述步骤(3)得到的局部优化参数解作为后一次优化的初始纤维方向，依次重复步骤(1)～(3)进行循环优化，并计算优化的残差收敛值，直至达到收敛，所得到的即为全局的最优数值参数解；按照该最优参数解所对应的函数曲线族，得出对应的纤维轨迹；其中，所述的函数曲线族为一个分段函数，在影响域内是一个余弦函数，在影响域外为线性函数；该函数在X轴上半部分的方程为：该函数在X轴下半部分的方程为上半部分的相反数；式中：n＝1，2，3……，1N，2N，3N，且N为1-5的整数，其中v1n,max、v2n,max、v3n,min分别为v1n、v2n的最大值和、v3n的最小值；V为参数向量，且V＝[v1n,v2n,v3n…v1N,v2N,v3N]，当N＝1时，每个曲线族的有3个待求参数，v1,v2,v3是确定这个曲线族唯一性的三个待定参数，在matlab中利用lsqnonlin算法进行优化拟合，最终得到一组最优的参数，从而确定曲线；N为1-10的整数；t-曲线族系数，当优化向量V确定后，对于曲线族中的任意一点(xi,yi)，在matlab中将该点的坐标值代入该点所在曲线方程，可得出该点所在曲线的曲线族系数；r-开孔复合材料制件的孔半径。2.如权利要求1所述的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝颖丹，邓媛，陈明达，王贵民，刘东，徐海兵，林新耀，颜春，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33