一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法，包括如下步骤：(1)对所建立的有限元模型在不确定条件下进行模型修正与确认。(2)对复合材料进行基于安全系数的优化，分为两级优化，第一级以结构重量为目标进行复合材料超级层优化，第二级以结构承载能力为目标进行铺层顺序优化。(3)以第(1)步定量化的不确定参数区间为基础，对第(2)步优化得到的方案的承载能力进行可靠性分析，得到结构在不同工况下承载能力的可靠性。(4)对复合材料进行基于可靠性的优化，以第(3)步优化得到方案的承载能力可靠性为约束对，以减重为目标进行超级层优化，第二级以最大化结构承载能力下界为目标进行铺层顺序优化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法
本专利技术涉及复合材料结构优化设计方法领域，特别涉及一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法。
技术介绍
由于复合材料结构具有比强度高，比模量高，可设计强等优点被广泛应用于航空航天结构的设计中。应用部位也从次承力结构逐步扩展至主承力结构。复合材料固有的材料分散性使得结构设计工作较之传统的金属结构难度和工作量上大大增加。传统的基于安全系数的复合材料结构设计方法采用的安全系数偏大，设计出的结构过于保守，因此，如何综合考虑复合材料设计中的不确定因素，研究其对复合材料结构强度的影响成为结构设计的关键所在。承载能力是衡量一个结构件性能的重要指标，经常作为复合材料结构优化设计的目标或者约束条件。复合材料结构件由于其止裂性能导致其失效载荷的计算与金属结构截然不同，金属材料的结构件在发生局部裂纹时会引发裂纹持续扩展而使得结构件失去承载能力，局部的材料破坏并不会导致整个结构件承载能力的丧失，需要采用分级加载的方式来衡量复合材料结构件在材料破坏条件下的承载能力。下面介绍通过位移加载方法计算结构失效载荷。结构件在指定位置上施加位移载荷d，在该位移作用下结构会受到支反力F作用，若d采用逐级加载方式进行施加，设每级加载位移为d(n)，则支反力F也会逐渐增加，设为F(n)，结构的整体应力会逐渐增加，材料应力达到失效准则时会发生破坏，常用的失效准则有Hashin准则，Puck准则，Chang准则，LaRC04准则等，在有限元计算中材料破坏后材料的弹性参数会发生退化，复合材料结构退化方案是根据材料的失效特点来对弹性模量进行比例折减，当结构在传力路径截面上所有单元均发生破坏时，随着d(n)增加加载位置的支反力F(n)会下降，此时认定结构丧失承载能力，失效载荷的计算流程如图6所示。下面介绍Hashin准则和刚度折减方案：Hashin准则：纤维拉伸失效：纤维压缩失效：基体拉伸失效：基体压缩失效：刚度折减方案当采用以上维Hashin失效准则判定单元失效时，将对复合材料损伤单元的性能进行突降。在不同损伤模式中，可以参照如下退化方式来对其进行定义：(1)基体拉伸或压缩破坏：仅E2、ν12、ν23退化到0；(2)纤维拉伸或压缩破坏：E1、E2、E3、G12、G13、G23、ν12、ν13、ν23。退化到相应每个变量都乘以折减系数k，根据相关文献，k取值为0.01；(3)纤维－基体剪切破坏：仅G12、ν12退化到0；(4)法向拉伸或压缩破坏(分层)：仅E3、G13、G23、ν13、ν23退化到0。实际上，损伤区域会发生各种损伤的相互交叉，对多种损伤形式共同发生的单元，采用相应损伤类型材料退化方式相互叠加。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法。在材料性能试验条件的协助下，获得复合材料弹性参数和强度参数的不确定分布区间。结合不确定传播分析方法并根据该分布区间利用参数估计方法，以最小化有限元模型计算得到的结构承载能力期望和试验得到结构承载力之间误差范数为目标对建立的有限元模型进行修正和确认，获得复合材料结构边界条件参数的最优估计；然后基于安全系数的复合材料结构优化方法对复合材料结构进行优化，将得到的方案进行可靠性分析，得到不同工况下结构承载能力以基于安全系数方法得到的优化方案的可靠性作为约束对复合材料结构进行基于可靠性优化，在保证结构承载能力可靠性的基础上实现复合材料结构的轻量化设计。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法，实现步骤如下：步骤(1)、首先复合材料结构分析的不确定性进行定源分析，对材料参数如弹性模量具有统计规律的变量进行不确定定量化分析，将边界条件如约束刚度等设置为优化参数。步骤(2)、建立复合材料结构有限元模型，采用壳单元对复合材料结构优化部分进行构建，参数化结构材料参数和边界条件参数；步骤(3)、以不确定参数为输入变量，在指定边界条件参数下利用不确定传播方法对结构响应和失效载荷进行不确定性分析，得到不确定参数影响下结构响应和承载能力的不确定性区间；步骤(4)、利用如下优化列式对所建立的有限元模型在不确定条件下进行模型修正和确认：findkij,ti,j＝1,2,3式中其中kij，t代表边界条件的参数，||||代表2范数，ε,P,F分别代表局部应变，结构屈曲载荷和失效载荷，E代表期望，代表试验值的均值。步骤(5)、根据结构设计要求规定结构许用承载能力。步骤(6)、基于安全系数方法对结构进行超级层厚度优化，优化列式如下所示，其中W为重量，n0,n45为0°和45°复合材料单层层数，n为安全系数，F1和F2分别代表不同工况下的失效载荷。步骤(7)、将步骤(6)中优化得到的复合材料不同角度超级层厚度进行圆整，使之成为加工工艺所能达到单层厚度的整数倍；步骤(8)、在超级层厚度优化的基础上按照下式进行铺层顺序优化：式中，θu为铺层方案，gj*(t)≤0为铺层方案应满足的工艺约束，[F1]，[F2]，…为不同工况下的结构承载力；步骤(9)、以材料参数的不确定性为基础，对步骤(8)得到的结构进行不确定性分析，得到承载力的区间估计，并将其与设计值比较得到不同工况下的结构可靠性；步骤(10)、以步骤(9)所求得的可靠性为约束对结构进行可靠性优化，首先以下式的优化列式对复合材料结构进行减重优化，其中XI为材料强度区间，EI为弹性参数区间，是由基于安全系数优化结果所对应的失效载荷可靠度。步骤(11)、将步骤(10)中优化得到的复合材料不同角度超级层厚度进行圆整，使之成为加工工艺所能达到单层厚度的整数倍；步骤(12)、在超级层厚度优化的基础上按照下式进行铺层顺序优化：其中F1，F2，…分别代表不同工况下复合材料结构失效载荷下界。其中，对复合材料结构承载能力的计算采用的是分步位移加载方法，得到结构的位移-载荷曲线后以结构载荷下降点的载荷作为结构失效载荷。其中，所述步骤(4)中模型修正与确认方法运用了统计理论中的矩估计法。其中，该方法可以在保证基于可靠性方法的结果优于保证基于安全系数方法的结果，在保证可靠性不降低的条件下实现结构减重。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)、本专利技术考虑了复合材料的分散性，在对复合材料结构设计之前需要在不确定条件下对复合材料结构有限元模型进行修正和确认，保证优化过程中所采用的模型具有可信度。(2)、本专利技术在设计时考虑了疲劳性能，采用静强度覆盖疲劳的方法，使得设计出的复合材料结构具有良好的抗疲劳性能。(3)、本专利技术对复合材料结构进行优化时采用了两步优化策略，即超级层优化和铺层顺序优化，提高了优化的效率。附图说明图1为压缩加筋板示意图；图2为剪切加筋板示意图；图3为压缩加筋板加载示意图；图4为剪切加筋板加载示意图；图5为基于多工况失效载荷的复合材料结构铺层优化流程图；图6为失效载荷求解流程图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本专利技术。如图4所示，本专利技术提出了一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法，包括以下步骤：步骤(1)、首先复合材料结构分析的不确定性进行定源分析，对材料参数如弹性模量具有统计规律的变量进行不确定定量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法，其特征在于：实现步骤如下：步骤(1)、首先复合材料结构分析的不确定性进行定源分析，对材料参数具有统计规律的变量进行不确定定量化分析，将边界条件设置为优化参数，材料参数包括弹性模量，边界条件包括约束刚度；步骤(2)、建立复合材料结构有限元模型，采用壳单元对复合材料结构优化部分进行构建，参数化结构材料参数和边界条件参数；步骤(3)、以不确定参数为输入变量，在指定边界条件参数下利用不确定传播方法对结构响应和失效载荷进行不确定性分析，得到不确定参数影响下结构响应和承载能力的不确定性区间；步骤(4)、利用如下优化列式对所建立的有限元模型在不确定条件下进行模型修正和确认：find kij,t i,j＝1,2,3

【技术特征摘要】
1.一种基于多工况失效载荷的复合材料结构不确定优化方法，其特征在于：实现步骤如下：步骤(1)、首先复合材料结构分析的不确定性进行定源分析，对材料参数具有统计规律的变量进行不确定定量化分析，将边界条件设置为优化参数，材料参数包括弹性模量，边界条件包括约束刚度；步骤(2)、建立复合材料结构有限元模型，采用壳单元对复合材料结构优化部分进行构建，参数化结构材料参数和边界条件参数；步骤(3)、以不确定参数为输入变量，在指定边界条件参数下利用不确定传播方法对结构响应和失效载荷进行不确定性分析，得到不确定参数影响下结构响应和承载能力的不确定性区间；步骤(4)、利用如下优化列式对所建立的有限元模型在不确定条件下进行模型修正和确认：findkij,ti,j＝1,2,3式中其中kij，t代表边界条件的参数，||||代表2范数，ε,P,F分别代表局部应变，结构屈曲载荷和失效载荷，E代表期望，-代表试验值的均值；步骤(5)、根据结构设计要求规定结构许用承载能力；步骤(6)、基于安全系数方法对结构进行超级层厚度优化，优化列式如下所示，其中W为重量，n0,n45为0o和45o复合材料单层层数，n为安全系数，F1和F2分别代表不同工况下的失效载荷；步骤(7)、将步骤(6)中优化得到的复合材料不同角度超级层厚度进行圆整，使之成为加工工艺所能达到单层厚度的整数倍；步骤(8)、在超级层厚度优化的基础上按照下式进行铺层顺序优化：式中，θu为铺层方案，为铺层方案应满足的工艺约束，[F1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓军，石庆贺，马雨嘉，罗振先，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11