[发明专利]一种适用于热塑性编织复合材料航天承力构件的材料-结构-制造一体化优化设计方法

说明书

本发明提供一种适用于热塑性编织复合材料航天承力构件的材料‑结构‑制造一体化优化设计方法，包括：根据纤维体分比、纤维和基体性能参数，利用细观力学方法预测纤维增强复合材料的等效宏观弹性模量；进行复合材料标准拉伸实验测试，基于弹性常数和泊松比修正预测的等效宏观弹性模量；建立复合材料结构件的有限模型并对结构件外形尺寸和厚度进行参数化；构建优化模型，采用高效的自适应加点代理模型优化方法进行结构件的优化设计，直至优化结果收敛，得到构件的最优设计；结合成型工艺修改优化的构件构型，模压成型制备结构件。本发明优化设计效率高，缩短复合材料结构的设计周期，减少结构设计成本，为复合材料优化设计提供一种快速有效的方法。

技术领域

本发明涉及热塑性复合材料构件优化设计领域，尤其涉及一种适用于热塑性编织复合材料航天承力构件的材料-结构-制造一体化优化设计方法。

背景技术

纤维增强复合材料具有优异的比强度、刚度、材料的各向异性、耐腐蚀性、抗疲劳、减震、吸能等特性，使其在现代航空航天、汽车领域的应用迅速增加。纤维增强复合材料表现出来的突出特性不仅被用来减轻结构的重量，也被用来提高结构的整体性能。在纤维复合材料之中，编织复合材料被认为比单向复合材料更有竞争力，因为它们在单层内具有良好的四面八方的控制力。而热塑性纤维增强复合材料与热固性复合材料相比密度小、比强度大、抗冲击性能优异、耐腐蚀、湿热性能好，热塑性复合材料储存方便、成型效率高、可熔融焊接和减少制造周期，可以多次加热熔融，重复使用，节约成本，些特性使热塑性机织物复合材料对许多结构应用具有吸引力。为适应当前社会各种领域对轻量化和整体性能的要求，并且随着热塑性纤维编织复合材料成型技术的不断发展，纤维编织复合材料将会在主承力结构中有更为广泛的应用。

由于热塑性纤维增强复合材料结构设计的灵活性，设计者可以根据不同的载荷工况建立优化模型来优化结构以达到更高的性能。然而现有的大多数轻量化研究中只是根据工程经验调整纤维分布、纤维含量、层合板铺层来对金属结构进行替换。但这种优化方式轻量化效果不明显，没有充分发挥复合材料灵活的可设计性。热塑性编织复合材料结构件优化设计不仅要实现对金属材料的简单替换，而且要针对具体工况建立优化模型，实现材料和结构件外形的优化设计。同时复合材料构件显式动力学仿真计算时间较长，启发式优化算法需要计算大量样本导致设计周期过长，高效的梯度类优化算法难以获得全局最优化解，都不适用于工程需求。在此应用背景下，本发明提出一种适用于热塑性编织复合材料航天承力构件的材料-结构-制造一体化快速高效的优化设计方法。

发明内容

根据上述提出的现有结构优化技术存在的热塑性复合材料轻量化不明显和结构计算优化效率较低的问题，而提供一种适用于热塑性编织复合材料航天承力构件的材料-结构-制造一体化优化设计方法。本发明采用的技术手段如下：

一种适用于热塑性编织复合材料航天承力构件的材料-结构-制造一体化优化设计方法，包括如下步骤：

步骤一：根据纤维体分比、纤维和基体性能参数，利用细观力学方法预测纤维增强复合材料的等效宏观弹性模量；

步骤二：进行复合材料标准拉伸实验测试，基于实验得到弹性常数和泊松比修正预测的等效宏观弹性模量；

步骤三：建立复合材料结构件的有限模型并对结构件外形尺寸和厚度进行参数化，实现结构件自动化建模分析和结果提取；

步骤四：构建优化模型，采用高效的自适应加点代理模型优化方法进行结构件的优化设计，直至优化结果收敛，得到结构件的最佳设计。

进一步地，所述步骤一中，预测的宏观弹性模量是通过将缎纹复合材料简化为正交层合板，先根据三维桥联模型公式，计算单向板的等效宏观弹性模量，根据层合板理论计算纤维增强复合材料的等效宏观弹性模量。

进一步地，所述步骤三中，自动化建模分析和结果提取是基于ABAQUS二次开发结构件的参数化程序。