[发明专利]基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法

权利要求书

1.基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建碳纤维壳体三维模型：对碳纤维壳体进行强度和屈曲分析，根据经验公式和压力试验确定各变量的取值范围及初始值，采用多参数一体化建模方法建立初始三维模型；

步骤2，对构建的碳纤维壳体三维模型进行仿真计算：确定碳纤维壳体三维模型的输入参数数量及初始值，设置碳纤维材料特性，采用四面体网格独立分片算法对模型进行非结构网格划分，通过分析壳体的受力设置载荷，进行仿真计算求解初始模型壳体应力及变形；

步骤3，构建样本数据集：根据建立的碳纤维壳体三维模型，采用Box-Behnken方法设计实验，基于步骤2中的仿真计算得到全部实验结果，参数每变化一次计算一组数据，进而构建样本数据集；

步骤4，响应面分析：根据构建的样本数据集建立响应面图像，观察输出参数随输入参数的变化，进而进行图像的拟合度分析和参数的灵敏度分析，确定参数变化对壳体强度和屈曲的影响；

步骤5，壳体参数优化：根据响应面图像分析和参数灵敏度分析的结果，确定优化约束条件，建立多目标优化数学模型进行参数优化，并记录优化后的壳体参数；

步骤6，建立二阶响应面模型：对构建的样本数据集进行回归处理，拟合得出二次公式，对公式各项系数进行修正，建立二阶响应面模型；

步骤7，二阶响应面模型精度校核：将步骤5中优化后的壳体参数代入二阶响应面模型，得到一组模型预测值，对优化后的壳体模型做仿真计算得到一组仿真计算值，将两组值作对比，以检验所建立响应面模型的精度，进而应用于具体的壳体分析。

2.根据权利要求1所述的基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法，其特征在于：所述步骤1中，模型的参数包括壳体长度、壳体厚度、加强筋宽度和加强筋高度，建模时，四个参数同时变化，并在四个参数前均添加变量名称；壳体的两端接口采用金属材料，壳体通过楔环安装，加强筋采用复合材料，三维建模将接口、加强筋和壳体等效为一体。

3.根据权利要求2所述的基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法，其特征在于：所述步骤2中，基于ANSYS Workbench对壳体进行仿真计算，具体包括：

(1)在工程数据库中设置材料种类和属性，根据实际工程情况选择各向同性材料或各向异性材料，材料特性主要包括屈服强度、极限强度、弹性模量和泊松比；

(2)在几何模块确认变量个数及初始值，模型基于四面体网格独立分片算法进行网格划分，设置最小网格尺寸和狭窄间隙单元数；

(3)在静态结构模块设置均匀分布的外压、经过计算的等效轴向载荷和壳体的固定支撑方式，外压等于壳体最大工作深度压强与安全系数的乘积，等效轴向载荷等于壳体最大工作深度压强与壳体横截面积的乘积，根据实际工况灵活选择支撑方式；

(4)在求解模块选择求解参数，将等效应力、剪切应力和总变形等设置为待求参数；在结果模块获得仿真结果，查看应力和总变形云图，读取应力和变形数据，以实现对模型壳体应力及变形的求解。

4.根据权利要求1所述的基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法，其特征在于：所述步骤4中，在进行响应面分析时，基于ANSYS Workbench和Design-Expert分别生成响应面，对在Workbench中生成的三维响应面图像按切分模式展现，在Design-Expert中生成的三维响应面按默认方式展现，对生成的响应面进行拟合度分析，评判拟合效果的优劣：

(1)通过建立设计点和模型预测值间的图像来分析，设计点和模型预测值越接近则图像中的点越近似直线分布；

(2)通过计算R²来评价，R²取值介于0和1之间，越接近1表示拟合效果越好。

5.根据权利要求1所述的基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法，其特征在于：所述步骤5中，在进行壳体参数优化时，分别采用Screening和多目标遗传算法进行参数优化，以壳体强度满足需求为约束条件，以应力值和最大变形量达到最小为目标，应力包括最大等效应力和剪切应力。

6.根据权利要求1所述的基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法，其特征在于：所述步骤6中，基于Design-Expert建立二阶响应面模型，二阶响应面模型包含常数项、一次项和二次项，其中二次项中包含任意两个输入参数的耦合项，系数和符号表明了各输入参数对壳体特性的影响显著性和方向，二阶响应面模型一般表达式为：

式中：x为自变量，y为因变量，k为自变量的数量；β₀是一个常量，β_i、β_ii、β_ij是变量的系数；ε是假设均值为0随机实验误差。