[发明专利]基于应变邻域的飞机复合材料结构优化方法

权利要求书

1.一种基于应变邻域的飞机复合材料结构优化方法，其特征在于：所述的飞机复合材料结构优化方法在结构优化之前，对结构蒙皮传力过程进行应变敏度分析，将计算应变值相近且空间位置相邻的单元分成一个“应变邻域”，在结构优化时以“应变邻域”为对象进行优化；所述空间位置相邻的单元是指根据四联通原理有公共边的单元；包含以下步骤：

步骤一、建立蒙皮的有限元计算模型；模型变量包括：蒙皮单元个数、蒙皮单元厚度、蒙皮单元铺层角度、蒙皮初始厚度、复合材料单层厚度、蒙皮单元铺层层数；

所述复合材料单层厚度就是每次外循环增加一层铺层的厚度，蒙皮单元铺层层数是指这个单元的总厚度，是多个单层厚度的厚度叠加；

步骤二、针对模型进行蒙皮受力的有限元分析；

步骤三、进行应变邻域划分：读取每个有限元单元对应的应变值大小，利用最小二乘法对每个单元的计算应变值进行曲面拟合，根据各个邻域所包含有限元单元的计算应变值的最大值，按照计算应变值从大到小对各应变邻域排序；

步骤四、利用遗传算法以“应变邻域”为对象进行结构优化：

以邻域为初始种群的遗传算法来计算最佳铺层块数、铺层角度和蒙皮单元铺层层数，形成初始计算n个个体的种群；种群中的每一个个体代表着某一种添加重量的邻域块数和相应添加的铺层角度的组合；计算种群中个体的计算应变值大小，进行遗传算法操作，基于最优保存策略保存最优个体，确定结构重量最佳的添加块数和相应的铺层角度；

步骤五、对每个应变邻域进行整体增重迭代：每块应变邻域内包含的每个单元增重相同，每块应变邻域内包含的每个单元的铺层角度也相同；

步骤六、当所有单元的拉伸/压缩/剪切应变都满足许用应变时模型优化结束，进入下一步；不满足，返回步骤一，更改模型变量，继续迭代；

步骤七、将上一步的优化后的模型中的蒙皮厚度结果进行二次曲面拟合；输出拟合后的厚度云图。

2.根据权利要求1所述的基于应变邻域的飞机复合材料结构优化方法，其特征在于：所述的飞机复合材料结构优化方法在划分“应变邻域”之前利用最小二乘法对计算应变值进行曲面拟合，用拟合后的计算应变值来作为划分邻域的依据，并在步骤六之后对优化后的蒙皮厚度进行二次曲面拟合。

3.根据权利要求1所述的基于应变邻域的飞机复合材料结构优化方法，其特征在于：所述步骤三中有限元单元对应的计算应变值的计算公式为：

，其中，为复合材料纵向/横向拉伸许用应变，为复合材料纵向/横向压缩许用应变，为复合材料剪切许用应变，、、分别是纵向/横向拉伸应变、纵向/横向压缩应变、剪切应变。

4.根据权利要求1所述的基于应变邻域的飞机复合材料结构优化方法，其特征在于：步骤三中每个单元的计算应变值是取单元上所有铺层的最大应变值中的最大值，该值大小表明单元是否失效，有限元分析中复合材料单层的强度失效准则采用最大应变失效准则；最大应变失效准则是根据复合材料单层拉伸/压缩/剪切三个方向的最大值来判断复合材料是否失效；对不满足失效准则的蒙皮单元进行优化，以蒙皮单元形状形心的位置作为蒙皮单元的样本点，对n个样本点，i =0,1,2...n，根据如下曲面方程进行拟合：

，其中是曲面方程的系数，，是单元的坐标，是单元的计算应变值，为系数矩阵，p^T=(1, x, y, …, x^my^m-n, x^m-nyⁿ), m=1,2,…,N, n=1,2,…N, m≥n, N为拟合次数。