[发明专利]一种保证制造质量的变刚度复合材料结构优化设计方法

说明书

本发明属于复合材料结构优化设计方法领域，并具体公开了一种保证制造质量的变刚度复合材料结构优化设计方法，包括以下步骤：在复合材料结构的设计域内定义一系列离散设计点，并设定各设计点处纤维角度θ_i的初始值；将复合材料结构的设计域划分为多个正方形单元，计算各单元中心点处的纤维角度；建立单元刚度矩阵并计算得到整体位移向量和单元位移向量；计算c、g_e及利用c、g_e、及θ_i上下界更新纤维角度；重复上述步骤直至满足优化终止条件。采用本发明优化设计得到的变刚度复合材料结构在制造工程中，纤维带之间不会产生重叠或空隙，保证了结构的制造质量，避免了制造缺陷对结构性能的危害。

技术领域

本发明属于复合材料结构优化设计方法领域，更具体地，涉及一种保证制造质量的变刚度复合材料结构优化设计方法。

背景技术

纤维增强复合材料具有比强度高、比模量大以及抗疲劳、抗腐蚀、减震性能好等一系列优点，对提高结构性能、降低结构重量意义重大。自动铺带/铺丝技术实现了纤维的曲线铺放，可以使结构的刚度在不同位置按需变化，发展出所谓的变刚度结构。相比纤维直线铺放定刚度复合材料结构，其带来的变刚度特性对提升提高结构性能、降低结构重量有更显著的效果，且具有良好的可设计性。随着自动铺带/铺丝技术的不断发展，变刚度复合材料结构已被广泛运用于航空航天、汽车、高端设备等领域。

通常变刚度复合材料结构优化设计主要是优化纤维铺设角度，一种直接的优化纤维铺设角度的设计方法是连续不断地改变设计点的纤维角度值，但采用该方法优化得到的结构通常具有不连续的纤维铺设路径，这会导致结构不可制造以及产生应力集中。所以，对于变刚度复合材料结构中纤维铺设角度的优化，首先需保证纤维铺设角度的空间连续性。目前已有的设计方法中，基于Shepard插值的纤维增强复合材料结构优化设计方法能保证纤维角度的空间连续变化布局，例如CN107590325A公开的一种基于Shepard插值的纤维增强复合材料结构优化方法，CN107729648A公开的一种基于Shepard插值的曲线纤维复合结构设计瀑布型多级优化方法。但采用上述方法得到的结构在制造过程中会产生缺陷，包括造成纤维带之间的重叠和空隙，这些缺陷会严重危害结构性能。因而，在设计阶段应考虑加入结构的制造工艺约束，尽可能减小纤维带之间的重叠和空隙，以保证变刚度复合材料结构的制造质量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种保证制造质量的变刚度复合材料结构优化设计方法，其通过增加优化模型中的约束条件，包括约束函数值g_e及约束函数值g_e对纤维角度θ_i的导数值更新设计变量直至满足优化终止条件，得到复合材料结构的连续变角度纤维布局，解决了现有的Shepard插值方法忽略工艺约束的问题，尽可能减小了纤维带之间的重叠和空隙，保证了变刚度复合材料结构的制造质量，避免了制造缺陷对结构性能的危害。

为实现上述目的，本发明提出了一种保证制造质量的变刚度复合材料结构优化设计方法，其包括以下步骤：

1)在复合材料结构的设计域内定义一系列离散设计点p_i，并设定各设计点p_i处纤维角度θ_i的初始值，其中，i＝1,2,…,n，n为正整数；

2)将复合材料结构的设计域划分为N_e个正方形单元，计算各单元中心点x_e处的纤维角度θ_e；

3)建立依赖于纤维角度θ_e的单元刚度矩阵K^e(θ_e)，并计算得到整体位移向量U和单元位移向量u_e；

4)计算目标函数柔度值c、目标函数柔度值c对纤维角度θ_i的灵敏度值约束函数值g_e及约束函数值g_e对纤维角度θ_i的导数值