[发明专利]基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法

说明书

本发明公开一种基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法，包括基于三维软件对壳体进行多参数一体化建模；对壳体进行仿真计算，采用四面体网格独立分片算法进行网格划分；响应面分析，通过两种响应面图像的相似度确认数据及模型的可靠，对生成的响应面进行拟合度分析，评判拟合效果的优劣，对参数进行进行灵敏度分析，确认参数的影响趋势和程度；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；建立二阶响应面模型，应用此模型可准确的预测壳体特性，使壳体既能满足强度和稳定性要求又能实现轻量化设计。

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，适用于水下航行器的碳纤维复合材料加筋圆柱壳体的强度和轻量化设计问题，具体涉及一种基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法。

背景技术

水下航行器因其智能、便捷、高效等优点，在探索和发展海洋的进程中发挥着越来越重要的作用。未来探索海洋的趋势是走向深蓝，对水下航行器的强度、可靠性及续航能力提出了更高的要求，尤其是水下航行器的壳体强度直接决定了其最大工作深度。

鱼雷形状因具有优越的水动力性能而被水下航行器广泛采用，因此通常水下航行器中部为圆柱状，为搭载的传感器及设备提供主要放置空间。采用新型复合材料研究高强度和低重量的耐压壳体对提升水下航行器的机动性能、续航时间、三维空间作业范围具有重要意义。对水下航行器复合材料壳体强度的准确研究分析非常困难，需要把材料特性、结构形式、压力及温度变化、海水腐蚀等因素均考虑在内，且目前尚无确定的模型和设计标准。

增加壁厚是提升壳体强度和稳定性的通用方式，但是会减小壳内空间，同时会增加壳体重量，影响AUV的续航能力。因此，寻求一种方法优化复合材料壳体的耐压结构及参数，使壳体既能满足强度和稳定性要求又能实现轻量化设计是至关重要的。

发明内容

本发明基于有限元分析和响应面法对AUV碳纤维复合材料加筋圆柱壳体的强度及稳定性进行了研究和优化，以设计出可以提供内部有效大空间的高强度、轻量化壳体，提升AUV的可靠性和续航能力。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于响应面模型的碳纤维壳体分析方法，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。