含丟層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化方法研究.pdf

1、纖維增強復(fù)合材料是一種高比剛度高比強度且可剪裁設(shè)計的材料，日益廣泛地應(yīng)用于航空航天、新能源、交通運輸和運動器材等領(lǐng)域。纖維增強復(fù)合材料經(jīng)過合理設(shè)計后能夠顯著地提高結(jié)構(gòu)效率和降低制造成本。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常將鋪層方向、鋪層順序以及鋪層厚度作為設(shè)計參數(shù)，根據(jù)設(shè)計原則考慮對稱鋪層、均衡鋪層等約束條件，并綜合考慮或考核結(jié)構(gòu)重量、制造成本、結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性等指標(biāo)。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計中存在的離散性、設(shè)計空間極大以及丟層等問題，已有的復(fù)合材

2、料結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計優(yōu)化方法往往難以快速穩(wěn)定地搜尋到最優(yōu)鋪層方案，因此有必要在已有研究的基礎(chǔ)上，展開復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化方法研究。
　　本文回顧了近幾十年來國內(nèi)外研究者在復(fù)合材料層壓板和含丟層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能預(yù)測研究方面的現(xiàn)狀和已取得的一些重要結(jié)果，對目前該領(lǐng)域存在的問題進行了深入分析，并對復(fù)合材料層壓板、含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)以及含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)進行了鋪層優(yōu)化方法研究。
　　本文主要研究內(nèi)容包括：

3、
　　（1）復(fù)合材料層壓板鋪層優(yōu)化方法研究。在遺傳算法框架內(nèi)，為復(fù)合材料層壓板的鋪層構(gòu)建了全新的染色體編碼方式，使其能夠通過自身架構(gòu)施加奇數(shù)和偶數(shù)對稱性約束以及更為合理地施加均衡性約束。同時，為了在保持進化過程中的多樣性，針對新的染色體架構(gòu)設(shè)計了排列因子變異、鋪層數(shù)變異、鋪層類型變異、鋪層位置置換和交叉等五種遺傳算子。最后通過多種工況下復(fù)合材料層壓板的鋪層優(yōu)化算例對提出的優(yōu)化方法進行了驗證。該方法避免了已有方法中的設(shè)計空間被人為縮

4、減或優(yōu)化結(jié)果需人工修正等缺點，染色體和遺傳算子的合理設(shè)計使得優(yōu)化過程具備了良好的收斂性，計算成本均在可接受范圍內(nèi)，更為重要的是，與前人研究相比，得到了更輕或重量相當(dāng)?shù)匿亴臃桨?，與已有方法相比具有更加全面的鋪層方案搜索能力。
　?。?）含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)全局鋪層優(yōu)化方法研究。為了能夠在含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中對設(shè)計空間進行全面的探索，研究了兩個復(fù)合材料層壓板之間可連接性的必要條件。根據(jù)分析得到的可連接性條件，構(gòu)建了全

5、新的染色體，即鋪層組分染色體和鋪層排列染色體，使其通過自身架構(gòu)在含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的鋪層優(yōu)化過程中隱性地施加鋪層連續(xù)性約束。為了在保持進化過程中的多樣性的同時持續(xù)地滿足各個子結(jié)構(gòu)間的可連接性條件，針對新的染色體架構(gòu)對變異、置換和交叉等3種遺傳算子進行了具體設(shè)計。最后通過長條形復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)和U形復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的全局鋪層優(yōu)化算例對提出的優(yōu)化方法進行了驗證，發(fā)現(xiàn)該優(yōu)化方法得到的最優(yōu)含丟層結(jié)構(gòu)的重量與層壓板獨立優(yōu)化得到的總重十分

6、接近，充分說明該優(yōu)化方法在含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的鋪層優(yōu)化中具有較強的鋪層方案搜索能力，同時，在對稱鋪層和對稱均衡鋪層情況下，該優(yōu)化方法的計算成本均在可接受范圍內(nèi)，更為重要的是，與前人研究相比該方法能夠十分穩(wěn)定地得到更優(yōu)的鋪層設(shè)計方案。
　?。?）含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)全局鋪層優(yōu)化方法研究。探索了含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化問題中存在的特殊性。針對其特殊性在含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)全局鋪層優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上加入了鋪層厚度染色體，

7、采用鋪層組分染色體、鋪層排列染色體和鋪層厚度染色體對含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的全局鋪層進行編碼，并對各個染色體的基因取值范圍以及遺傳算子進行具體設(shè)計或改進，使其通過自身染色體架構(gòu)和遺傳操作在含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的鋪層優(yōu)化過程中盡可能地不縮減設(shè)計空間。最后通過階梯形復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)和U形復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的全局鋪層優(yōu)化算例對提出的優(yōu)化方法進行了驗證，在計算成本在可接受范圍內(nèi)的同時，能夠十分穩(wěn)定地得到滿足各項約束的鋪層設(shè)計方案，從而證明了該優(yōu)

8、化方法的計算效率和計算穩(wěn)定性。與初始的鋪層方案相比，優(yōu)化后的全局鋪層方案能夠大幅降低含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的重量。同時，U形復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的全局鋪層優(yōu)化算例表明，在穩(wěn)定性約束下，輕質(zhì)夾芯的加入能夠明顯降低含丟層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到的總質(zhì)量，在夾芯厚度不連續(xù)的情況下，這種優(yōu)勢變得更加明顯。
　?。?）基于試驗的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能預(yù)測和鋪層優(yōu)化方法研究。將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能預(yù)測問題轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)分類問題，更加充分地利用現(xiàn)有知