一种全局收敛的复合材料离散纤维铺角优化方法技术

本发明专利技术公开了一种全局收敛的复合材料离散纤维铺角优化方法，应用于纤维增强复合材料结构优化领域。针对现有方法不能保证全局收敛且求解不稳定的问题，本发明专利技术构建了基于刚度矩阵插值的离散纤维铺角优化数学模型，提出了优化域逐步收紧和离散方向搜索的优化思想，设计了能够自动满足约束条件的变量更新规则，将约束条件内置于求解器中，实现了约束优化问题向非约束优化问题的转化。本发明专利技术方法不需要惩罚措施即可保证优化域全局收敛，给出清晰的纤维布局方案，解决了复合材料离散纤维铺角优化中存在的全局收敛问题。本发明专利技术方法应用于平面应力、平板弯曲、壳体扭转等不同类别的物理模型均可实现全局收敛，且具有可靠的寻优能力和高效的求解效率。效的求解效率。效的求解效率。

【技术实现步骤摘要】
一种全局收敛的复合材料离散纤维铺角优化方法


[0001]本专利技术属于复合材料结构优化设计领域，特别涉及一种具有全局收敛特性的复合材料离散纤维铺角优化方法。
技术背景
[0002]纤维增强复合材料(以下简称复合材料)具有重量轻、比强度高、比刚度大、耐疲劳、耐腐蚀、结构可设计、设计制造一体化、易于整体成型等优势，被广泛应用于航空航天、风力发电、石油化工等装备的主体结构件。作为结构化材料，复合材料的铺层参数变化组合多、可设计性强，相比各向同性材料具有更加自由的设计空间。复合材料采用变化的铺层参数，即纤维铺设角度、铺层厚度和铺放顺序，可以使结构更好地匹配应力应变的空间分布，从而更有效地利用纤维材料的方向特性，提高结构承载能力。
[0003]目前，常见的离散纤维铺角优化方法往往采用对设计变量中间值进行惩罚的策略，以驱动设计变量尽可能逼近离散解0或1，但存在不能保证全局收敛及求解不稳定的问题，优化结果中存在灰度单元，局部纤维铺角的选择不清晰、不明确。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种具有全局收敛特性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有全局收敛特性的复合材料离散纤维铺角优化方法，其特征在于，将不同铺设角度的纤维视作各向异性的离散多相材料，从而把纤维铺角选择问题转化为多相材料的拓扑优化问题；以候选材料的人工密度为设计变量、以密度边界为约束条件，以结构柔顺度为目标函数，构建了基于刚度矩阵插值的复合材料离散纤维铺角优化数学模型；提出了优化域逐步收紧和离散方向搜索的优化思想，解决了复合材料离散纤维铺角优化的全局收敛问题；设计了能够自动满足约束条件的变量更新规则，将约束条件内置于求解器中，实现了约束优化问题向非约束优化问题的转化；所述方法应用于平面应力、平板弯曲、壳体扭转等不同类别的物理模型均可实现全局收敛，给出清晰的纤维布局方案，且具有可靠的寻优能力和高效的求解效率；具体包括以下步骤：S1、以候选材料的人工密度为设计变量、以密度边界为约束条件，以结构柔顺度为目标函数，构建基于刚度矩阵插值的复合材料离散纤维铺角优化数学模型；S2、建立复合材料构件有限元分析模型，生成并保存详细的单元、节点、载荷、边界、刚度矩阵等模型信息；S3、将具体物理模型的参数信息赋给S1所述优化数学模型，初始化设计变量；S4、计算目标函数对设计变量的灵敏度，确定寻优搜索方向，将灵敏度信息从高到低进行排序，确保高灵敏度单元优先完成纤维角度的最优化选择；S5、按照离散方向搜索准则更新设计变量，更新规则应确保设计变量在迭代过程中自动满足权函数的求和约束，且不能溢出设计边界；S6、根据局部收敛准则判断单元收敛性，按照优化域收紧准则，将已收敛单元的设计变量锁定并退出当前优化空间；S7、评价优化域全局收敛性，若全局收敛率ε
g
＜1，转S4继续循环，若ε
g
＝1，则停止迭代，输出优化结果。2.根据权利要求1所述的一种具有全局收敛特性的复合材料离散纤维铺角优化方法，步骤S1特征在于，将离散纤维铺角选择问题转化为多相材料拓扑优化问题，采用刚度矩阵插值模型代替传统的本构矩阵插值模型，并取消了传统方法中的惩罚措施；所述离散纤铺角优化数学模型表达为：其中，N
n
为单元总数，N
m
为候选材料总数，x
i,j
为第i个单元中第j种材料的人工密度，C为结构柔顺度，F为外载荷向量，U为位移向量，U
T
为位移转置向量，K为整体刚度矩阵，K

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏文，闫金顺，张兰挺，于欢，郜佳佳，姜勇，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：