【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空航天与拓扑优化，具体涉及一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法。
技术介绍
1、在过去的几十年里，由于复合材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀性等特点，纤维增强复合材料部件在不同工业中的应用大幅增加，这种复合材料在一些金属曾经占主导地位的领域取得了进展，比如在航空航天领域中，将纤维增强塑料(frp)用于飞机机身机翼的制造，以减轻其重量。且复合材料层合板提供了优越的设计灵活性，通过选择不同材料的单层板，进行不同的堆叠顺序和取向角度，层合板可以表现出不同的力学特性。另外，在薄壁结构的增强领域，加强筋的应用因其简单易行而备受青睐。对于薄壁结构而言，为满足各种工作环境下所需的刚度、振动(基频)要求，对薄壁结构进行加筋是一种普遍采用的方法，这些加强筋的形状与布局通常是增加强度、减轻共振的关键。
2、对于目前的薄壁结构，可以采用复合材料层合板作为薄壁基体，并铺设筋条做强度补充。通过对层合板的铺层角度与筋条布局的优化，可以更充分地发挥出材料性能，使结构在较少的材料用量下，达到满足工作要求的强度与振动指标。
3、尽管目前已有很多关于加筋优化设计和层合板优化设计方面的研究，且已经取得了显著的成果，但仍然存在一些值得进一步解决的挑战性问题。首先，现有的研究工作中基本都集中于单独对层合板进行优化研究或单独对筋条进行优化研究，将层合板加筋结构所具有的两种优化方法分别单独进行，不综合考虑而对结构进行优化，往往容易错过一些相互耦合的，全局性的最优结构。其次，常用的隐式优化方法往往存在设计变量多，显式尺寸难以控制，后处
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，同时考虑层合板设计变量和筋条设计变量的影响，可以获得全局上的优化构型，能够更充分地发挥层合板和筋条的作用，解决层合板加筋结构的柔度最小化问题，可以从侧面提升结构的强度和刚度，解决层合板加筋结构的基频最大化问题，预防共振等不利情况的产生。
2、本专利技术采取的技术方案具体如下：
3、一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，包括筋条布局的描述方法、层合板铺层角度的描述方法、复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化、复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化的柔度最小化设计和基频最大化设计；
4、所述筋条布局的描述方法采用基于mmc方法的加筋优化设计方法显式描述筋条信息并将其作为设计变量，得到筋条路径；
5、所述层合板铺层角度的描述方法采用使用带惩罚的形状函数的参数化方法，确定层合板取向角；
6、复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化需给定层合板的厚度与数量信息，通过优化确定出每一层的铺层角度，得到每一层层合板最适的取向角，对于筋条则需给定质量约束上限，通过优化得到每根筋条端点的坐标和筋条的厚度；
7、复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化的柔度最小化设计是使加筋壁板结构的总应变能最小；
8、协同优化的基频最大化设计是使加筋壁板结构的一阶特征值的相反数最小化，等价于结构的一阶频率最大化。
9、进一步地，所述基于mmc方法的加筋优化设计方法包括以下步骤：
10、使用组件来描述设计域内部的每根筋条，每根筋条通过设计域内部的空间节点连接，使筋条随着节点的移动产生位置变化，从而改变筋条的布局，不同空间节点的位置决定了筋条形状的改变；
11、在优化过程中，采用节点驱动的自适应基结构法建立筋条模型，设计变量为节点坐标和筋条厚度，采用高效的形状灵敏度分析方法，通过移动一系列驱动节点和改变构件的一些尺寸参数来迭代更新整个结构，直至收敛得到最优的加筋布局。
12、进一步地，在优化过程中筋条的厚度取值范围的下限为tε(tε＜t)，采用heaviside函数式(1)对其进行惩罚，通过式(2)的厚度惩罚形式，即将第i根筋条的厚度ti乘以heaviside函数，得到惩罚后的厚度取tε＝α＝0.001，ε＝0.1；
13、
14、
15、进一步地，所述使用带惩罚的形状函数的参数化方法将层合板第k层层合板的刚度矩阵写成候选材料刚度阵的加权和：
16、
17、其中，c(k)表示第k层层合板的弹性矩阵，c1、c2、c3、c4分别代表纤维取向为-45°、0°、45°、90°时对应的刚度阵，其权重因子为表示第k层层合板中第i种取向角的权重，第k层层合板的权值因子通过设计变量r(k)、s(k)表示，r(k)和s(k)的值在-1和1之间变化：
18、
19、满足
20、
21、权重因子需要满足式(5)和式(6)，以获得物理上有意义的结果的条件；在最佳情况下，第k层应由一种候选层组成，材料性能为c1、c2、c3或c4，因此，需要在其解处其中一个等于1而其他等于0；为了得到这种结果，需对设计变量的中间值进行惩罚，对形状函数(sf)即式(4)施加指数p进行惩罚，得到带惩罚的形状函数参数化表达式如式(7)所示，该表达式仍然满足式(6)，但对于设计变量r(k)和s(k)的中间值不满足式(5)，但在解处满足；
22、
23、sfp参数化中，当第k层对应的参数r(k)和s(k)都取到1或-1时，便可确定该层的层合板取向角。
24、进一步地，通过优化确定出每一层的铺层角度，得到每一层层合板最适的取向角，所述取向角为-45°、0°、45°、90°中的其中一种角度。
25、进一步地，复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化的柔度最小化设计对应的优化列式为式(8)；
26、
27、其中，pi为描述筋条位置的第i个动节点的坐标，ti为第i根筋条的厚度，ri,si为描述层合板第i层铺层角度的参数，np为控制筋条位置的节点总数，ns为筋条的总数，nl为层合板的总层数。
28、进一步地，所述协同优化的基频最大化设计对应的优化列式为式(9)；
29、
30、其中，pi为描述筋条位置的第i个动节点的坐标，ti为第i根筋条的厚度，ri,si为描述层合板第i层铺层角度的参数，np为控制筋条位置的节点总数，ns为筋条的总数，nl为层合板的总层数。
31、进一步地，所述筋条质量约束包括最大厚度约束、最小厚度约束、筋条布局与厚度在某一直角坐标系中上下对称或左右对称、筋条布局与厚度在某一直角坐标系中上下对称且左右对称。
32、本专利技术取得的技术效果为：
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【技术保护点】
1.一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：包括筋条布局的描述方法、层合板铺层角度的描述方法、复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化、复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化的柔度最小化设计和基频最大化设计；
2.根据权利要求1所述的一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：所述基于MMC方法的加筋优化设计方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：在优化过程中筋条的厚度取值范围的下限为tε(tε<t)，采用Heaviside函数式(1)对其进行惩罚，通过式(2)的厚度惩罚形式，即将第i根筋条的厚度ti乘以Heaviside函数，得到惩罚后的厚度取tε＝α＝0.001，ε＝0.1；
4.根据权利要求1所述的一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：使用所述带惩罚的形状函数的参数化方法将层合板第k层层合板的刚度矩阵写成候选材料刚度阵的加权和：
5.根据权利要求1所述的一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：通过优化确定出每一
6.根据权利要求1所述的一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化的柔度最小化设计对应的优化列式为式(8)：
7.根据权利要求1所述的一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：所述协同优化的基频最大化设计对应的优化列式为式(9)：
8.根据权利要求1所述的一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：所述筋条质量约束包括最大厚度约束、最小厚度约束、筋条布局与厚度在某一直角坐标系中上下对称或左右对称、筋条布局与厚度在某一直角坐标系中上下对称且左右对称。
...【技术特征摘要】
1.一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：包括筋条布局的描述方法、层合板铺层角度的描述方法、复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化、复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化的柔度最小化设计和基频最大化设计；
2.根据权利要求1所述的一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：所述基于mmc方法的加筋优化设计方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：在优化过程中筋条的厚度取值范围的下限为tε(tε<t)，采用heaviside函数式(1)对其进行惩罚，通过式(2)的厚度惩罚形式，即将第i根筋条的厚度ti乘以heaviside函数，得到惩罚后的厚度取tε＝α＝0.001，ε＝0.1；
4.根据权利要求1所述的一种复合材料壁板结构铺层-加筋协同优化方法，其特征在于：使用所述带惩罚的形状函数的参数化方法将层合板...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭旭，杜宗亮，李善维，刘畅，张维声，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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