【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料结构优化领域，涉及一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法。
技术介绍
1、复合材料相较于钢、铝合金等传统材料具有比强度大、比刚度高、可设计性强等优势，已广泛应用于土木、船舶、航空、航天等重要领域。曲线纤维变刚度复合材料结构通过定制曲线纤维路径，可改变结构刚度空间分布，为结构的轻量化、智能化、功能结构一体化设计提供了强大助力。为充分发挥曲线纤维变刚度复合材料结构的力学性能优势，曲线纤维变刚度复合材料结构的设计变量可同时包括铺层数目、铺层厚度以及逐点定制的曲线纤维铺放角度。目前针对变刚度复合材料结构的优化设计，多以曲线纤维铺放角度为连续设计变量进行优化求解，少数研究将铺层厚度和曲线纤维铺放角度作为连续设计变量进行优化，却忽略了铺层厚度的离散取值特性等工艺限制，集成铺层数目、铺层厚度、曲线纤维铺放角度为变量的一体化设计方法尚待研究。
2、曲线纤维变刚度复合材料结构纤维路径定义难度大、仿真分析要求高、优化设计空间维度大，造成仅以曲线纤维铺放角度为连续变量的优化设计问题本身已极具挑战性。此外，随着离散铺层数目与铺层厚度变量的同时引入，目标函数和约束函数非连续、非可微，使得可高效求解连续变量问题的近似概念等优化技术与方法不再适用。虽然将离散变量松弛处理并与代理模型等策略结合可高效求解该问题，但打破变量的离散取值特性使得优化结果难以满足加工要求且仍需后处理，故不宜作为通用方法应用于工程结构的优化。因此，亟待发展高效求解该离散连续混合变量一体化优化设计问题的实用优化方法。
技术
1、为解决现有曲线纤维变刚度复合材料结构设计变量单一、优化效率低下问题，本专利技术提供一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法，建立集成铺层数目、铺层厚度、曲线纤维铺放角度的优化问题模型，通过构造曲线纤维变刚度复合材料结构变保真度代理模型，引入遗传-序列二次规划算法对设计变量进行高效寻优，在满足铺层厚度的离散取值、纤维曲率工艺约束的条件下，实现对曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化。
2、为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
3、本专利技术公开的一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法，包括以下步骤：
4、步骤一：为使优化结果无需过多后处理，定义并创建曲线纤维变刚度复合材料结构初始“基铺层”，优化求解各单层铺层厚度确定各单层的存在性，当“基铺层”内单层为非必要铺层时，铺层厚度取厚度小量以示铺层删除；当单层为必要铺层时，铺层厚度取单层基准厚度整数倍以示铺层保留。构造表示“基铺层”各单层存在性数域，建立集成铺层数目、铺层厚度、曲线纤维铺放角度的曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化问题模型。
5、步骤101：定义并创建曲线纤维变刚度复合材料结构初始“基铺层”。曲线纤维复合材料结构“基铺层”由多个复合材料单层组成，通过优化求解各单层铺层厚度确定各单层的存在性。当“基铺层”内单层为非必要铺层时，铺层厚度取厚度小量以示铺层删除；当单层为必要铺层时，铺层厚度取单层基准厚度整数倍以示铺层保留。在非必要铺层中，由于铺层厚度取值为小量，铺层内曲线纤维铺放角度的改变对结构性能影响可忽略，故非必要铺层中曲线纤维铺放角度变量设为常值。在必要铺层中，铺层厚度需满足离散取值的特性，对离散铺层厚度与连续曲线纤维铺放角度进行优化，以改善曲线纤维变刚度复合材料结构性能。
6、步骤102：根据步骤101创建的“基铺层”，构造数域与表示必要铺层对应厚度取值域，表示非必要铺层对应厚度取值域，数域中元素与“基铺层”中各单层存在性相对应，具体表达式如式(1)、(2)所示。
7、
8、
9、式中，ti为基铺层中第i层的铺层厚度；tb为对应铺丝设备的单层基准厚度，z为正整数；表示非必要铺层关联的厚度小量；n表示“基铺层”中铺层数目。数域中元素表示必要铺层对应厚度取值为单层基准厚度整数倍，数域中元素则表示非必要铺层对应厚度取值为厚度小量。
10、步骤103：在步骤102构建的用于表示曲线纤维变刚度复合材料结构各单层存在性的数域基础上，建立集成铺层数目、铺层厚度、曲线纤维铺放角度的曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化问题模型，如式(3)所示：
11、
12、式中，t表示离散的铺层厚度向量，t为曲线纤维铺放角度相关的路径函数参数向量，f(t,t)和g(t,t)分别为目标函数与约束函数，j0为约束函数个数；κ(t)为纤维曲率约束；κmax为最大许用纤维曲率约束；和分别为路径函数参数变量的下限与上限，为常值；m为单层中纤维路径函参数个数，n为“基铺层”中铺层数目，即离散变量个数。路径函数参数取值与对应单层厚度ti相关，当时，与ti关联的铺层保留，单层厚度ti对应的铺层厚度为单层基准厚度整数倍，此时在给定区间内连续取值；当时，与ti关联的铺层删除，铺层厚度取为小量此时取常量
13、步骤二：基于拉丁超方采样试验，采用连续松弛变量进行混合变量采样，生成曲线纤维变刚度复合材料结构高保真度模型和低保真度模型的初始样本点。根据高低保真度模型初始样本点，进行曲线纤维变刚度复合材料结构分析，得到复合材料结构高低保真度代理模型响应值，构造指数形式的混合修正模式变保真度代理模型。
14、步骤201：基于拉丁超方采样试验，采用连续松弛变量进行混合变量采样，生成对应曲线纤维变刚度复合材料结构低保真度模型和高保真度模型的初始样本点。初始样本点采样数目由式(4)、(5)确定：
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16、
17、式中，ln与hn分别为对应低保真度模型和高保真度模型的采样点数，nm为连续变量个数，round(*)为四舍五入圆整函数。标准拉丁超方采样技术仅适用连续变量采样，为此，采用连续松弛变量进行混合变量采样。在[0，1]n+nm空间中构造连续样本点，其中前n个数值与离散铺层厚度变量相关，后nm个数值与连续曲线纤维铺放角度变量相关。采用floor函数计算第i个离散铺层厚度变量在数域中的真实取值，具体计算公式如下：
18、
19、式中，表示第i个离散铺层厚度变量对应[0,1]范围内的采样值，xi表示第i个离散铺层厚度变量的实际采样值；floor(*)为向上取整函数；γi为数域与的并集。对第i个连续曲线纤维铺放角度变量采样点的计算公式如下：
20、
21、式中，表示第i个连续曲线纤维铺放角度变量所对应[0,1]范围内的采样值，xi表示第i个连续曲线纤维铺放角度变量的实际采样值；与xi为第i个连续曲线纤维铺放角度变量的上下限。通过拉丁超方采样生成离散连续设计变量的初始采样点集合，其中曲线纤维变刚度复合材料结构低保真度模型与高保真度模型的采样点分别为与
22、步骤202：根据步骤201的初始样本点，进行曲线纤维变刚度复合材料结构分析，得到低保真度模型对应的响应集ylf与高保真度模型对应的响应集yhf。
23、步骤203：根据步骤202中所得保真度模型响应，构本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法，其特征在于：包括以下步骤，
2.如权利要求1所述的一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法，其特征在于：还包括步骤五：步骤四所得曲线纤维变刚度复合材料结构是集成铺层数目、铺层厚度、曲线纤维铺放角度变量的一体化优化结果，能够在满足铺层厚度的离散取值、纤维曲率限制的工艺约束条件下，满足结构强度、刚度、质量要求，还能够提升复合材料结构力学性能。
3.如权利要求1或2所述的一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法，其特征在于：步骤一实现方法为，
4.如权利要求3所述的一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法，其特征在于：步骤二实现方法为，
5.如权利要求4所述的一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法，其特征在于：步骤三实现方法为，
6.如权利要求4所述的一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法，其特征在于：步骤四实现方法为，
【技术特征摘要】
1.一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法，其特征在于：包括以下步骤，
2.如权利要求1所述的一种曲线纤维变刚度复合材料结构一体化优化方法，其特征在于：还包括步骤五：步骤四所得曲线纤维变刚度复合材料结构是集成铺层数目、铺层厚度、曲线纤维铺放角度变量的一体化优化结果，能够在满足铺层厚度的离散取值、纤维曲率限制的工艺约束条件下，满足结构强度、刚度、质量要求，还能够提升复合材料结构力学性能。
3.如权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：安海潮，龙腾，张宝收，郑张垚，叶年辉，太鑫辉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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