一种分区变厚度复合材料层合板的设计方法技术

一种分区变厚度复合材料层合板的设计方法，在翼面类结构连续变量的整体优化阶段，以质量最轻为目标，以屈曲、变形、强度以及复合材料层合板固定的几种角铺层比例关系为约束，通过有限元建模与连续变量数值优化技术，实施整体结构以及复合材料壁板各分区角铺层比例的优化。在离散变量优化阶段，提出了复合材料变厚度蒙皮壁板离散变量优化策略，以实现变厚度壁板的整体铺层序的设计。设计结果需要保障结构的力学性能和铺层的最大连续性，同时满足工程约束和制造要求。本发明专利技术能够实现连续变量与离散变量间优化信息的有机联系，既能保证连续变量优化结果给出的轻量化及整体力学性能，亦能满足多类工程约束以及铺层的最大连续性要求。

Design method of laminated composite laminates with variable thickness

A partition of variable thickness composite laminate design method, the overall optimization of continuous variables in the wing structure, with the lightest quality as the goal, to buckling, deformation and strength of composite laminates and several fixed angle ply proportion as constraints, through the finite element modeling and numerical optimization of continuous variables the implementation of the overall structure, optimization and composite panel of each partition layer angle ratio. In the discrete variable optimization stage, the discrete variable optimization strategy of composite variable thickness skin panels is proposed to realize the overall sequence design of variable thickness panels. The design results need to ensure the mechanical properties of the structure and the maximum continuity of the overlay, while meeting the engineering constraints and manufacturing requirements. The invention can realize the optimization of the organic connection information between continuous variables and discrete variables, which can ensure the lightweight and overall mechanical properties of continuous variable optimization results are given, also can meet the engineering constraints and the maximum continuous layer requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种分区变厚度复合材料层合板的设计方法
本专利技术涉及复合材料层合板设计领域，具体是一种分区变厚度复合材料层合板的设计方法。适用于飞行器翼面蒙皮类结构分区变厚度复合材料层合壁板的优化铺层设计方法。
技术介绍
纤维增强树脂基复合材料具有比强度大、比刚度高、热稳定性优良、疲劳和断裂特性好以及力学性能可设计强等众多优越性，一般可使结构重量减轻30％左右。因此，先进复合材料在航空、航天结构上的用量已经成为衡量其先进性的标志。复合材料层合板结构一般由不同纤维方向的单层薄片叠合而成，所述单层薄片即为层合板的铺层。工程中由于工艺与力学的原因，层合板各铺层的纤维方向固定取0°、+45°、-45°、90°四种，所述纤维方向即称层合板的铺向角，且铺层序有严格的工程约束要求，这使得复合材料层合结构设计成为一个有约束的离散组合优化问题。飞机翼面结构承受着分布的气动载荷并从翼尖到翼根形成内力累积效应，这要求翼面蒙皮沿翼尖到翼根以及前缘到后缘是分区变厚度的，以获得等应力的轻重量设计。飞机翼面复合材料层合板设计的复杂性还在于需要满足变形、稳定性以及强度等的力学特性，结合分区变厚度与离散化铺层序约束，这将导致轻重量多约束的高维混合变量优化设计问题。一个层合板结构在固定离散铺向角条件下，设计变量为角铺层的整体厚度以及角铺层的叠层顺序，角铺层的整体厚度又称为该铺向角的铺层组厚度。工程中将整个问题按变量属性分阶段实施优化是一种高效的设计处理方法。目前最常用的复合材料层合板结构优化设计采用两阶段策略，即将四种角铺层的整体厚度作为四个连续设计变量，并设定角铺层整体厚度的铺层序，在强度、稳定性及变形等约束下实施基于梯度算法的结构重量优化设计；在获得各角铺层整体厚度的基础上，将每一铺层作为离散变量采用启发式算法进一步实施满足工程铺层约束的铺层序优化，从而获得工程有效的结构设计。但现有的两阶段优化策略在技术方法上尚不能实现两阶段的有机联系，难于得到最优轻质结构设计结果，特别离散变量的铺层序优化并不能有效满足工程上变厚度壁板离散铺层的最大连续性要求及复杂工程约束。同时启发式算法在解决该问题时，由于高维的离散变量，使得启发式算法容易陷入局部最优。当变厚度壁板结构的分区较多时，搜索空间呈级数式增长，启发式算法计算量较大且难于找到最优解。文献1“LiuDZ,ToropovVV,QuerinOM,BartonDC.Bi-leveloptimizationofblendedcompositewingpanels.JournalofAircraft2011；48:107118.”公开了一种变厚度复合材料盒式结构的两阶段优化策略：在第一阶段以屈曲和应变为约束，以层合板的总质量最轻为目标采用有限元软件Ansys进行层合板各角铺层组整体厚度优化；在第二阶段采用排列遗传算法PermutationGA在连续性与工程约束下对变厚度壁板的铺层序进行优化。但该方法仅仅只应用于9个板块的变厚度区域，且并未考虑更复杂的工程约束。在第二阶段的优化中，需要设置启发式算法的初始种群大小、代数以及变异参数等，这些参数的设置将直接影响优化结果，如果参数设置不当将造成无法找到最优解。同时在第二阶段的层合板融合设计中，共享铺层融合方法Shared–layerblendingmethod无法应用于更大规模更多分区的变厚度复合材料层合板结构的设计中。所以该方法在变厚度复合材料设计中存在有局限性。文献2“IrisarriFX,LasseigneA,LeroyFH,RicheRL.Optimaldesignoflaminatedcompositestructureswithplydropsusingstackingsequencetables.CompositeStructures2014；17:559-569.”公开了一种分区变厚度复合材料壁板结构离散变量优化策略：对一个18板的分区变厚度复合材料壁板结构，在给定边界条件与各分区载荷工况下，考虑复杂工程约束，采用叠层顺序表Stackingsequencetable和进化算法Evolutionaryalgorithm进行了铺层序优化，获得了满足所有工程约束的最轻结构质量。但进化算法有较多初始设置参数，该问题种群迭代超过4000代，用了1个小时进行搜索获得最优解。参数设置对结果具有较大影响，如果参数设置不当，有可能找不到最优解；同时算法的计算量大，对于更大规模的变厚度壁板板块优化问题可能失效。
技术实现思路
为克服现有分区变厚度复合材料层合板铺层序优化方法存在计算规模大且难于有效实施工程约束的技术缺点，本专利技术提出了一种分区变厚度复合材料层合板的设计方法。本专利技术的具体过程是：步骤1，获取有限元优化结果连续变量的厚度及各分区刚度。步骤2，圆整连续变量厚度。采用圆整策略将得到的各铺向角厚度连续变量离散化。所述步骤2中的连续变量离散化的过程是：2.1对每一个分区各角铺层0°、±45°和90°的连续变量数值进行四舍五入圆整；设圆整后的某一厚度分区层合板各铺向角一半的铺层数分别为：n0、n45、n-45和n90。n为某一厚度分区的总厚度即：n＝2(n0+n45+n-45+n90)；N为该分区1/2的铺层数量N＝n/2＝n0+n45+n-45+n90，且设计过程均以N描述层合板的半厚度。2.2检测圆整后各分区面内刚度参数A11相对于连续变量的是否减小，即是否成立。如果不成立：则添加0°铺层，一次添加一层n0+1→n0，其中“→”表示赋值运算，直到刚度参数A11满足条件如果成立，保留分区中各角铺层数。2.3检测各个厚度分区中工程约束C3的满足性；若某角铺层在该层合板中所占比例低于10％，则添加该角铺层直到其比例达到10％。检测时，按wi＝ni/(n0+n45+n-45+n90)计算，其中i＝0°、45°、-45°和90°，wi为该厚度分区铺向角i所占的比例。2.3.1若检测结果wi满足工程约束C3，保留各角铺层数；2.3.2若检测结果wi不满足工程约束C3，则增加ni的铺层数使该铺向角的层数满足工程约束C3，且每次增加一个铺层，即ni+1→ni，其中“→”表示赋值运算。加入一层后继续检测wi≥10％是否满足：如果不满足返回步骤2.3.2；如满足则铺层添加完毕。步骤3，执行全局共享铺层策略。根据步骤1到2确定的各分区各角铺层数量，计算获取所有分区每一铺层在整体域内的最大连续性。所述执行全局共享铺层策略的具体过程是：以各厚度分区的编号和该厚度分区的邻接矩阵作为预测各共享铺层连通域输入信息。将所有的厚度分区分为四个厚度分区组：检测过厚度分区组、未检测厚度分区组、邻接厚度分区组和出现厚度分区组。将要被检测的厚度分区被定义为当前厚度分区。所述各厚度分区组中：检测过厚度分区组用于记录所有被检测过的厚度分区；未检测厚度分区组用于记录从未被检测过的厚度分区；邻接厚度分区组用于记录当前厚度分区的相邻厚度分区；出现厚度分区组用于记录检测过厚度分区组与邻接厚度分区组的集合。通过铺层分布预测算法得到整个区域各角铺层的最大连续铺层。3.1铺层分布预测算法。所述铺层分布预测算法的具体步骤如下：3.1.1将所有厚度分区放入未检测厚度分区组，将第k个厚度分区作为当前厚度分区；所述的k是当前厚度分区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分区变厚度复合材料层合板的设计方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，获取有限元优化结果连续变量的厚度及各分区刚度；步骤2，圆整连续变量厚度；采用圆整策略将得到的各铺向角厚度连续变量离散化；步骤3，执行全局共享铺层策略；根据步骤1到2确定的各分区各角铺层数量，计算获取所有分区每一铺层在整体域内的最大连续性；所述执行全局共享铺层策略的具体过程是：3.1铺层分布预测算法；以各厚度分区的编号与该厚度分区的邻接矩阵作为预测各共享铺层连通域的信息；将所有的厚度分区分为四个厚度分区组：检测过厚度分区组、未检测厚度分区组、邻接厚度分区组和出现厚度分区组；将要被检测的厚度分区被定义为当前厚度分区；所述各厚度分区组中：检测过厚度分区组用于记录所有被检测过的厚度分区；未检测厚度分区组用于记录从未被检测过的厚度分区；邻接厚度分区组用于记录当前厚度分区的相邻厚度分区；出现厚度分区组用于记录检测过厚度分区组与邻接厚度分区组的集合；通过全局共享铺层算法得到整个区域各个铺向角的最大连续铺层；步骤4，执行全局连续铺层结构策略；通过执行全局连续铺层结构策略，使变厚度壁板铺层序能满足工程约束，具体步骤如下：4.1对步骤3中获得的所有全局连续铺层进行全排列，筛选出满足工程约束的全局连续铺层的铺层序，并将该铺层序称为分区变厚度层合板的非可行全局基本铺层结构；4.2将每一个非可行全局基本铺层结构作为后续非全局连续铺层插入的铺层框架，重复执行整体铺层序设计策略、删除冗余铺层策略和角铺层添加策略，得到多个由非可行全局基本铺层结构获得的变厚度结构铺层序；将每一个非可行全局基本铺层结构作为后续非全局连续铺层插入的铺层框架，重复执行整体铺层序设计策略、删除冗余铺层策略和角铺层添加策略；4.3比较不同变厚度结构铺层序相对于连续变量的刚度及质量增量，筛选出质量增量最小的铺层序，即为最轻变厚度结构铺层序；步骤5，统计变厚度壁板的优化设计结果。...

【技术特征摘要】
1.一种分区变厚度复合材料层合板的设计方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，获取有限元优化结果连续变量的厚度及各分区刚度；步骤2，圆整连续变量厚度；采用圆整策略将得到的各铺向角厚度连续变量离散化；步骤3，执行全局共享铺层策略；根据步骤1到2确定的各分区各角铺层数量，计算获取所有分区每一铺层在整体域内的最大连续性；所述执行全局共享铺层策略的具体过程是：3.1铺层分布预测算法；以各厚度分区的编号与该厚度分区的邻接矩阵作为预测各共享铺层连通域的信息；将所有的厚度分区分为四个厚度分区组：检测过厚度分区组、未检测厚度分区组、邻接厚度分区组和出现厚度分区组；将要被检测的厚度分区被定义为当前厚度分区；所述各厚度分区组中：检测过厚度分区组用于记录所有被检测过的厚度分区；未检测厚度分区组用于记录从未被检测过的厚度分区；邻接厚度分区组用于记录当前厚度分区的相邻厚度分区；出现厚度分区组用于记录检测过厚度分区组与邻接厚度分区组的集合；通过全局共享铺层算法得到整个区域各个铺向角的最大连续铺层；步骤4，执行全局连续铺层结构策略；通过执行全局连续铺层结构策略，使变厚度壁板铺层序能满足工程约束，具体步骤如下：4.1对步骤3中获得的所有全局连续铺层进行全排列，筛选出满足工程约束的全局连续铺层的铺层序，并将该铺层序称为分区变厚度层合板的非可行全局基本铺层结构；4.2将每一个非可行全局基本铺层结构作为后续非全局连续铺层插入的铺层框架，重复执行整体铺层序设计策略、删除冗余铺层策略和角铺层添加策略，得到多个由非可行全局基本铺层结构获得的变厚度结构铺层序；将每一个非可行全局基本铺层结构作为后续非全局连续铺层插入的铺层框架，重复执行整体铺层序设计策略、删除冗余铺层策略和角铺层添加策略；4.3比较不同变厚度结构铺层序相对于连续变量的刚度及质量增量，筛选出质量增量最小的铺层序，即为最轻变厚度结构铺层序；步骤5，统计变厚度壁板的优化设计结果。2.如权利要求1所述分区变厚度复合材料层合板的设计方法，其特征在于，所述步骤2中的连续变量离散化的过程是：2.1对每一个分区各角铺层0°、±45°和90°的连续变量数值进行四舍五入圆整；设圆整后的某一厚度分区层合板各铺向角一半的铺层数分别为：n0、n45、n-45和n90；n为某一厚度分区的总厚度即：n＝2(n0+n45+n-45+n90)；N为该分区1/2的铺层数量N＝n/2＝n0+n45+n-45+n90，且设计过程均以N描述层合板的半厚度；2.2检测圆整后各分区面内刚度参数A11相对于连续变量的是否减小，即是否成立；如果不成立：则添加0°铺层，一次添加一层n0+1→n0，其中“→”表示赋值运算，直到刚度参数A11满足条件如果成立，保留分区中各角铺层数；2.3检测各个厚度分区中工程约束C3的满足性；若某角铺层在该层合板中所占比例低于10％，则添加该角铺层直到其比例达到10％；检测时，按wi＝ni/(n0+n45+n-45+n90)计算，其中i＝0°、45°、-45°和90°，wi为该厚度分区铺向角i所占的比例；2.3.1若检测结果wi满足工程约束C3，保留中各角铺层数；2.3.2若检测结果wi不满足工程约束C3，则增加ni的铺层数使该铺向角的层数满足工程约束C3，且每次增加一个铺层，即ni+1→ni，其中“→”表示赋值运算；加入一层后继续检测wi≥10％是否满足：如果不满足返回步骤2.3.2；如满足则铺层添加完毕。3.如权利要求1所述分区变厚度复合材料层合板的设计方法，其特征在于，步骤3中所述铺层分布预测算法的具体步骤如下：3.1.1将所有厚度分区放入未检测厚度分区组，将第k个厚度分区作为当前厚度分区；所述的k是当前厚度分区的编号，且从第一个分区遍历到最后一个分区.；3.1.2将当前厚度分区k添加到检测过厚度分区组与出现厚度分区组；根据邻接矩阵判定，如果当前厚度分区k有邻接厚度分区，那么将当前厚度分区k的邻接厚度分区添加到邻接厚度分区组与出现厚度分区组，转3.1.3；如果当前厚度分区没有邻接厚度分区，转3.1.4；3.1.3检查邻接厚度分区组，若邻接厚度分区组中有未检查的厚度分区，将未检查的厚度分区中第一个作为当前厚度分区，将k更新为当前厚度厚度分区号，转3.1.2；若邻接厚度分区组中厚度分区全都检查过，转3.1.4；3.1.4检查出现厚度分区组，如果出现厚度分区组有未检查的厚度分区，将未检查的厚度分区中第一个作为当前厚度分区，将k更新为当前厚度厚度分区号，转3.1.2；如果出现厚度分区组中厚度分区全都检查过，则所有出现厚度分区组中的厚度分区组成一个新的子域Rii，其中i为第i次共享操作，共享操作即指含有某一铺向角θ的所有厚度分区的θ铺层减去这些分区中最少的θ铺层；j为形成的新的子域的编号，记录该子域包含的所有厚度分区，转3.1.5；3.1.5将所有出现厚度分区组中的厚度分区从未检测厚度分区组中全部删除，并将删除的厚度分区的对应邻接矩阵中的行与列置为全0；检查未检测厚度分区组中是否还有未被检测的厚度分区？如果存在未被检测的厚度分区，将未被检测的厚度分区中第一个作为当前厚度分区，将k更新为当前厚度分区号，同时清空另外三个厚度分区组：检测过厚度分区组、邻接厚度分区组、出现厚度分区组，转3.1.1；若所有厚度分区全部被检测过，则区域分布预测结束，输出所有子域Ri1、Ri2、…、Rim，其中i为第i次共享操作，m为形成的所有子域的总数；3.2全局共享铺层算法：3.2.1输入初始参数：输入邻接矩阵和每个铺向角的铺层数量；3.2.2查询当前区域的共享厚度分区：对铺向角θ，从所有的厚度分区中找到最少的θ铺层，将该最少层数作为铺向角θ的共享铺层层数，且将所有厚度分区中铺层数大于等于该最少铺层数的厚度分区作为该铺层覆盖的区域，其中θ∈{0°、45°、-45°、90°}3.2.3检测该区域的分布形式：调用算法3.1检测区域中所有厚度分区的分布形式，区域被分成几个子域：Ri1、Ri2、…、Rim，转3.2.4；3.2.4从第j个子域Rij开始：从Rij的所有厚度分区中减去θ铺层最少的共享层数；如果某一个厚度分区中θ铺层为0，将该厚度分区从整个区域中删除，后续θ铺层的共享操作不再考虑该厚度分区，且其在邻接矩阵中的相应行与列置为全0；3.2.5检测剩余厚度分区的分布情况：如果子域Rij中的剩余厚度分区含有θ铺层，转3.2.2；否则，子域Rij的共享操作结束，转3.2.6；3.2.6检测子域是否全部经过共享操作：如果不是，j＝j+1，转3.2.4；如果是，转3.2.7；3.2.7检测是否所有铺向角都被检测完毕：如果不是，θ更新为下一种铺向角；如果是，全局共享铺层算法结束，得到整个区域各个角铺层的最大连续铺层。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙秦，景钊，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61