一种复合材料结构参数的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料结构参数的确定方法，包括如下步骤：设置复合材料初始参数，建立复合材料结构受载荷作用下的应力模型；基于应力模型，计算复合材料结构中铺层角度及纤维体积含量在工艺范围内的局部敏感性；根据三维稳定性判断标准，确定铺层角度及纤维体积含量的参数稳定域；基于遗传与粒子群混合算法对参数稳定域内的复合材料结构强度进行分析，获得最优强度下的铺层角度及纤维体积含量组合。本发明专利技术能够在保证复合材料结构性能的基础上，获得最优强度下的铺层角度及纤维体积含量组合，不但解决了现有复合材料结构性能不稳定等问题，而且使得复合材料结构的性能得到了优化和保障。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料结构参数的确定方法
本专利技术属于复合材料结构设计领域，具体涉及一种复合材料结构参数的确定方法。
技术介绍
在复合材料结构制造过程中，复合材料结构参数的设计对最终结构的性能起到至关重要的作用。无论采用先进的复合材料缠绕成型、模压成型、或者拉挤成型等方法，其中涉及两个关键结构设计参数，即：铺层角度与复合材料的纤维体积含量。这两个参数的组合直接对成型的制品性能产生较大的影响，对其优化设计也一直是研究的重点。目前，现有的文献多集中于对复合材料结构的铺层角度、纤维体积含量进行单因素优化，或者采用智能算法对多目标进行优化设计，继而改善复合材料结构的性能。这种方法虽然优化了铺层角度、纤维体积含量，但是该方法未对复合材料结构实际成型中出现的偏差因素进行考虑，使得按照优化后的设计参数而产生结构的性能稳定性较差。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种复合材料结构参数的确定方法，其提出了铺层角度及纤维体检含量全范围相互覆盖的稳定性优化设计方法，旨在提高复合材料结构设计稳定性的基础上确定最优参数组合，为复合材料结构设计提供新的设计方法。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种复合材料结构参数的确定方法，包括如下步骤：S1：设置复合材料初始参数，建立复合材料结构受载荷作用下的应力模型；S2：基于应力模型，计算复合材料结构中铺层角度及纤维体积含量在工艺范围内的局部敏感性；S3：根据三维稳定性判断标准，确定铺层角度及纤维体积含量的参数稳定域；S4：基于遗传与粒子群混合算法对参数稳定域内的复合材料结构强度进行分析，获得最优强度下的铺层角度及纤维体积含量组合。进一步的，所述步骤S1中复合材料结构受载荷作用下的应力模型的建立过程为：复合材料结构是以螺旋缠绕的正交层结构，涉及的圆柱坐标系下的位移-应变公式为：其中，γ0是单位长度的面扭转，ε0是常数，u表示位移，ε及γ则为应变，k表示第k层；下标r，θ，z为圆柱坐标系下的三个方向。对应的应力-应变公式为，其中，为第k层刚度矩阵，σ为应力；受力平衡方程为：其中，σr，σθ，σθr，σzr分别表示各自下标方向对应的应力。上述方程为复合材料结构在偏轴坐标系下的关系，但其是基于复合材料在正轴坐标系下的材料特性来计算。因此，需要根据偏轴与正轴坐标系间的关系进行求解，具体关系如下，其中，其中，[Tσ](k)为应力转换矩阵，[Tε](k)为应变转换矩阵，其中为铺层角度。求得材料坐标下的应力-应变关系为：其中，x，y，z表示复合材料结构在材料系统下的材料坐标系三个方向；E表示复合材料弹性模量，v表示复合材料泊松比，G表示复合材料剪切模量。此关系即为复合材料结构受载荷作用下的应力模型，其中复合材料基本特性参数可采用如下公式获得。Ex＝EfVf+Em(1-Vf)νyx＝Vfνf+(1-Vf)νm其中，Vf表示复合材料纤维体积含量，Ef表示纤维的弹性模量，Em表示树脂的弹性模量，vf表示纤维泊松比，vm表示树脂泊松比，Gm表示树脂剪切模量。进一步的，所述步骤S2中采用局部敏感度方法分别对铺层角度及纤维体积含量的局部敏感度进行计算，计算公式为：其中，xi为输入参数，Δ是xi对应的微小增量，n表示输入参数的总数，LSA表示局部敏感度。进一步的，所述步骤S3中复合材料结构强度采用蔡-吴失效准则：其中，Xt，Xc分别表示复合材料在横向及纵向上的拉伸强度；Yt，Yc分别表示复合材料在横向及纵向上的压缩强度；S表示复合材料剪切强度。同时，复合材料各方向上的强度与纤维及树脂强度间存在如下关系，Xt＝Xtf·VfXc＝Vf·Xcf其中，Xtf和Ycf分别是纤维拉伸机压缩强度；Xtm和Ycm分别是基体拉伸与压缩强度；Sm是基体剪切强度；强度优化目标为：找到:最大值:min(R(ri))(i＝1…N)其中，R为应力比，为铺层角度，Vf为纤维体积含量，N为层数。应力比可表达为：其中，ξ＝F3(σ3+σ2)+F1σ1。进一步的，所述步骤S3中铺层角度及纤维体积含量的参数稳定域的确定过程为：A1：通过局部敏感度计算单参数在全域内敏感性；A2：对获取的各参数敏感度取绝对值，求得均值MAL；对铺层角度或纤维体积含量的局部敏感度的绝对值取均值，得到均值ML；A3：比较MAL与ML的大小，若ML>MAL，则对应的参数值即为不稳定值，否则为稳定值，以此确定到参数的稳定区间和不稳定区间；A4：对最优参数区间进行确定：将稳定区间与不稳定区间内的平均强度比值进行对比，如果稳定区间的均值大于非稳定区间，则获得的稳定区间为最优参数区间；否则对非稳定区间继续进行区间划分，循环往复，直至获得最终的最优稳定区间。进一步的，所述步骤S4具体为：B1：设置遗传与粒子群混合算法的初始值，包括粒子群进化次数maxgen＝200，粒子初始更新速度Vmax＝1，Vmin＝-1，学习因子c1＝c2＝1.4，种群规模sizepop＝80，根据步骤S3中获得的稳定域，确定纤维体积含量及铺层角度的上下限；B2：随机产生粒子速度与位置，采用Matlab中的rand命令在，并依据B1中的初始条件产生初始化速度v，同时采用遗传算法的Code函数在参数边界范围内产生随机个体；B3：由于以应力比R为目标进行寻优计算，获取复合材料全层中的最小应力比。因此，以复合材料层中的最小应力比R作为遗传算法中的适度函数。基于此，则需要根据应力模型计算应力比，继而将该结果中的最小值作为优化算法的适度值，具体步骤如下：首先，由B2步骤随机产生铺层角度及纤维体积含量的个体，并将该值代入到权利要求2中所述的应力模型中，并通过边界条件进一步获得载荷作用下复合材料结构的各层应力值σx，σy，σz；其次，将σx＝σ1，σy＝σ2，σz＝σ3，代入权利要求2中所述的蔡吴失效准则，判断各层的失效状态，并计算输出复合材料应力比R；最后对获得的R向量取最小值，获得复合材料结构中最先失效层对应的应力比，并将该值作为适度函数的值传递给优化算法。B4：更新粒子速度与位置；B5：依次进行交叉、变异处理；B6：重复B3中的内容，计算目标函数及适度值；B7：更新粒子历史最优解pbest和全局最优解gbest；B8：判断pbest和gbest是否为最优解，若是，则获得最优强度下的铺层角度及纤维体积含量组合，若不是，则回到步骤B4。进一步的，所述步骤B4中粒子速度与位置的更新计算公式为：v(i,t+1)＝w·v(i,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料结构参数的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：/nS1：设置复合材料初始参数，建立复合材料结构受载荷作用下的应力模型；/nS2：基于应力模型，计算复合材料结构中铺层角度及纤维体积含量在工艺范围内的局部敏感性；/nS3：根据三维稳定性判断标准，确定铺层角度及纤维体积含量的参数稳定域；/nS4：基于遗传与粒子群混合算法对参数稳定域内的复合材料结构强度进行分析，获得最优强度下的铺层角度及纤维体积含量组合。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合材料结构参数的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：设置复合材料初始参数，建立复合材料结构受载荷作用下的应力模型；
S2：基于应力模型，计算复合材料结构中铺层角度及纤维体积含量在工艺范围内的局部敏感性；
S3：根据三维稳定性判断标准，确定铺层角度及纤维体积含量的参数稳定域；
S4：基于遗传与粒子群混合算法对参数稳定域内的复合材料结构强度进行分析，获得最优强度下的铺层角度及纤维体积含量组合。


2.根据权利要求1所述的一种复合材料结构参数的确定方法，其特征在于：所述步骤S1中复合材料结构受载荷作用下的应力模型的建立过程为：
复合材料结构是以螺旋缠绕的正交层结构，涉及的圆柱坐标系下的位移-应变公式为：



其中，γ0是单位长度的面扭转，ε0是常数，u表示位移，ε及γ则为应变；k表示第k层；下标r，θ，z为圆柱坐标系下的三个方向；
对应的应力-应变公式为，



其中，为第k层刚度矩阵，σ为应力；
受力平衡方程为：









其中，σr，σθ，σθr，σzr分别表示各自下标方向对应的应力；
上述方程为复合材料结构在偏轴坐标系下的关系，根据偏轴与正轴坐标系间的关系进行求解，具体关系如下，



其中，
其中，[Tσ](k)为应力转换矩阵，[Tε](k)为应变转换矩阵，其中为铺层角度；
求得材料坐标下的应力-应变关系为：



其中，x，y，z分别表示复合材料结构在材料系统下的材料坐标系三个方向；E表示复合材料弹性模量，v表示复合材料泊松比，G表示复合材料剪切模量；
此关系即为复合材料结构受载荷作用下的应力模型，其中复合材料基本特性参数可采用如下公式获得；
Ex＝EfVf+Em(1-Vf)






νyx＝Vfνf+(1-Vf)νm



其中，Vf表示复合材料纤维体积含量，Ef表示纤维的弹性模量，Em表示树脂的弹性模量，vf表示纤维泊松比，vm表示树脂泊松比，Gm表示树脂剪切模量。


3.根据权利要求1所述的一种复合材料结构参数的确定方法，其特征在于：所述步骤S2中采用局部敏感度方法分别对铺层角度及纤维体积含量的局部敏感度进行计算，计算公式为：



其中，xi为输入参数，Δ是xi对应的微小增量，n表示输入参数的总数，LSA表示局部敏感度。


4.根据权利要求1所述的一种复合材料结构参数的确定方法，其特征在于：所述步骤S3中复合材料结构强度采用蔡-吴失效准则：












其中，Xt，Xc分别表示复合材料在横向及纵向上的拉伸强度；Yt，Yc分别表示复合材料在横向及纵向上的压缩强度；S表示复合材料剪切强度；
同时，复合材料各方向上的强度与纤维及树脂强度间存在如下关系，
Xt＝Xtf·Vf



Xc＝Vf·Xcf






其中，Xtf和Ycf分别是纤维拉伸压缩强度；Xtm和Ycm分别是基体拉伸与压缩强度；Sm是基体剪切强度；Gf表示纤维剪切强度；
强度优化目标为：
找到:
最大值:min(R(ri))(i＝1…N)
其中，R...

【专利技术属性】
技术研发人员：康超，周宏根，刘赞，刘金锋，李炳强，魏凯，郑海南，肖志建，赵晨华，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32