一种确定层合板复合材料的铺层角方向与厚度的方法技术

一种确定层合板复合材料的铺层角方向与厚度的方法，步骤:（1）建立层合板复合材料设计模型，将模型中离散变量转化为连续变量，并增加相应的约束，依照特定的初始化方案生成若干个粒子，每个粒子的坐标值都为一个设计方案；（2）记录初始时每个粒子的坐标值为个体最优方案，进而得到全局最优设计方案；（3）首先利用粒子群设计方法对粒子的位置进行更新，根据粒子的不同类型进行不同最大迭代次数数学规划设计；（4）得到新的层合板复合材料的潜在设计方案并更新个体与全局最优设计方案；（5）判断是否满足收敛条件，如不满足转到（3）；（6）将全局最优设计方案中的铺层厚度与圆整后的铺层方向作为最终的层合板复合材料的设计方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合材料优化设计方法领域，特别涉及一种粒子群方法与数学规划相结合的确定层合板复合材料的铺层角方向与厚度的方法。
技术介绍
层合板复合材料由高强度、低密度的纤维材料与基体组成，具有比传统材料更高的比强度和比模量，在航空航天、汽车等工业领域已得到广泛应用。但是，由于层合板复合材料具有各向异性，所以其性能与铺层角度等有着密切关系。在复杂结构承受复杂载荷时，相对于普通金属材料，其相应的结构设计也变得更加复杂。层合板复合材料的典型设计变量为铺层角度、铺层厚度。由于加工工艺的限制，层合板中各单层板的铺层角一般不能连续取值，通常只选择几个比较规则的角度，如0°、30°、45°等，而单层板的厚度一般可以在连续变量中选取。因此，层合板复合材料的优化设计属于混合优化设计，即包含连续的设计变量(铺层厚度)，又包含离散设计变量(铺层角度)。另外，由于复合材料力学特性十分复杂，目标函数和约束条件种类繁多，很多时候需要进行整体优化。目前的设计方法主要有基于微分的方法、枚举法、随机搜索方法和启发式搜索方法，但是由于现存算法的计算效率太低，故不适用于多个设计变量的层合板复合材料设计。群智能优化方法是层合板复合材料优化设计的另一种方法，群智能优化方法的优势在于其设计方法简单、易于实现，并有一定的全局性；然而粒子群优化方法也存在着计算量大、收敛缓慢等缺点。采用基于马尔科夫过程对粒子群优化方法的寻优特性进行分析，利用半解析法得到如附图说明图1所示的在不同惯性权重ω下粒子某一维设计变量X在标准空间中的概率密度分布情况；其解析表达式为

【技术保护点】
一种确定层合板复合材料的铺层角方向与厚度的方法，其特征在于实现步骤如下：（1）以层合板复合材料的铺层角方向与厚度为设计变量，以层合板复合材料的质量最小或者屈曲临界载荷最大为设计目标f(xC1,xC2...,xCd,xD1,xD2...,xDs)，以层合板复合材料的许用应力以及规定位置的位移为约束条件gj(xC1,xC2...,xCd,xD1,xD2...,xDs)，j为约束编号，p代表约束的个数，建立层合板复合材料设计的优化列式：minf(xC1,xC2...,xCd,xD1,xD2...,xDs)s,t.gj(xC1,xC2...,xCd,xD1,xD2...,xDs)≤0,j=0.1...,pxCkL≤xCk≤xCkU,k=1,2...,dxDi∈{qaDi},q=0,1...,MDi,i=1,2...,s---(1);其中xC1,xC2...,xCd为连续变量，代表层合板复合材料的单层厚度，d为连续变量的个数；xD1,xD2...,xDs为离散变量，代表层合板复合材料的铺层角方向，s为离散变量的个数；aDi代表铺层角方向选取规格，MDi为xDi可以选用的最大铺层角方向选取规格的倍数；为连续设计变量的下界与上界；{qaDi}，q＝0,1...,MDi为包含xDi可选取的铺层角方向离散集合；然后采用连续变量xd1,xd2...,xds对上述的优化列式中的离散变量xD1,xD2...,xDs进行替换；同时在优化列式中引入离散变量约束ai为在gp+1中使xdi的最终优化结果满足离散变量条件的调整系数，ai＝2π/aDi，ε为预先设定的小值；最终形成层合板复合材料的连续变量设计列式：minf(xC1,xC2...,xCd,xd1,xd2...,xds)s.t.gj(xC1,xC2...,xCd,xd1,xd2...,xds)≤0,j=0,1...,pgp+1=Σi=1s(1-cos(aixdi))2<ϵxCkL≤xCk≤xCkU,k=1,2...,d0≤xdi≤MDiaDil=1,2...,s---(2);接着在所述设计变量的上下界围成的变量空间内生成N个粒子，每个粒子中包含粒子的位置xi和速度vi两个状态向量，i代表粒子的编号；粒子的位置xi＝(xi，C1,xi，C2...,xi,Cd,xi，d1,xi，d2...,xi,ds)是一个设计变量组成的向量，粒子的位置均为潜在最优设计，即每个粒子的位置均为一个设计方案；每个粒子速度向量vi＝(vi，C1,vi，C2...,vi,Cd,vi，d1,vi，d2...,vi,ds)表示下次更新时位置变化的大小；部分粒子位置在变量空间主对角线上均匀生成，其它粒子的位置在变量空间内随机生成，所有粒子的速度都随机生成；最后以所述设计目标和约束条件，对于以上产生的N个粒子的原始设计方案x′i(0)，分别采用数学规划设计方法进行不超过n0次的优化设计，并将得到的设计方案xi(0)作为粒子群的初始设计方案；（2）采用有限元法或者解析法对层合板复合材料进行力学分析，求出层合板复合材料的各个铺层的应力以及规定位置的位移；按照以上力学分析结果，计算层合板复合材料的设计目标总重量或者最大临界屈曲载荷以及约束条件的函数值；然后计算各个粒子目标函数值L(xi)=f(xi)+(1+α|f(xi)|)(Σj=1p+1|max(0,gj(xi))|),（f(·)为层合板复合材料的连续变量设计列式中的设计目标，g(·)为层合板复合材料的连续变量设计列式中的不等式约束，α为惩罚因子；从小到大进行排序，选出目标函数值最小的两个粒子，记录这两个粒子的目标函数值与位置作为全局最优设计方案gbest1(0)=(gbest1，C1(0)..,gbest1,Cd(0),gbest1，d1...,gbest1,ds(0))以及全局次优设计方案gbest2(0)＝(gbest2，C1(0)...,gbest2,Cd(0),gbest2，d1...,gbest2,ds(0))，记录此时N个粒子位置为个体最优设计方案pbesti(0)＝(pbesti，C1(0)..,pbesti,Cd(0),pbesti，d1...,pbesti,ds(0))；（3）在进化过程中选取gbest1,d(k)和gbest2，d(k)的中值作为名义最优设计方案，再利 用当前粒子的位置xi(k)与速度vi(k)，采用粒子群设计方法对N个粒子的位置与...

【技术特征摘要】
1.一种确定层合板复合材料的铺层角方向与厚度的方法，其特征在于实现步骤如下 (1)以层合板复合材料的铺层角方向与厚度为设计变量，以层合板复合材料的质量最小或者屈曲临界载荷最大为设计目标f (xCi, Xc2- · ·，Xcd, XD1, XD2· · ·，xDs)，以层合板复合材料的许用应力以及规定位置的位移为约束条件gj (xCl, Xc2- · ·，XCd. XD1，XD2· · ·，XDs)，J为约束编号，P代表约束的个数，建立层合板复合材料设计的优化列式2.根据权利要求1所述的一种确定层合板复合材料的铺层角方向与厚度的方法，其特征在于所述步骤(I)中数学规划设计方法包括序列二次规划方法、序列线性规划基于梯度理论的方法，具体实现包括四个步骤a.根据当前层合板复合材料的铺层厚度与铺层角方向，通过进行力学分析得到层合板复...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱志平，李琦，王晓军，吕峥，王睿星，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：