基于粒子群算法的復(fù)合材料框架結(jié)構(gòu)頻率優(yōu)化.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料框架結(jié)構(gòu)（以下簡稱復(fù)合材料框架結(jié)構(gòu)），因其具有高比強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞以及易于拆卸等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶及汽車等領(lǐng)域。當(dāng)外界激振力頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近時(shí)，往往因共振將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形過大，甚至發(fā)生破壞。因此，工程上一般可通過提高結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)而改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性。因此，本文研究中以基頻最大化以及前幾階頻率之和（前3階或前5階）最大化為優(yōu)化目標(biāo)，對復(fù)合材料框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　首

2、先，考慮到以纖維纏繞角為設(shè)計(jì)變量時(shí)，復(fù)合材料梁的剛度是關(guān)于各層纏繞角的復(fù)雜三角函數(shù)，將導(dǎo)致優(yōu)化問題目標(biāo)函數(shù)呈現(xiàn)多個(gè)局部極值的特點(diǎn)。傳統(tǒng)基于梯度信息的優(yōu)化算法在求解該類優(yōu)化問題時(shí)，往往收斂于初始點(diǎn)附近的局部最優(yōu)解，難以找到符合工程要求的理想優(yōu)化解。因此，本文將具有全局尋優(yōu)能力的粒子群算法(Particle SwarmOptimization，PSO)用于復(fù)合材料框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。以纖維纏繞角為設(shè)計(jì)變量，分別開展了以基頻最大化與前幾階頻

3、率之和最大化為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了連續(xù)纖維纏繞角對結(jié)構(gòu)動(dòng)力頻率性能的影響。
　　其次，當(dāng)設(shè)計(jì)變量為連續(xù)纖維纏繞角度時(shí)，圓整后的優(yōu)化結(jié)果中存在大量如2°、9°等的纏繞角度。包含過多的此類纖維纏繞角度將顯著地增加優(yōu)化結(jié)果的制造成本?？紤]到航空航天工程中的復(fù)合材料制造工藝，纏繞角度通常為離散角度的組合，如-45°，0°，45°和90°等。因此，本文考慮上述工程中常用的離散纏繞角度作為設(shè)計(jì)變量，分別以基頻最大化/前幾階頻率之和最大化

4、為目標(biāo)，針對復(fù)合材料框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力頻率性能，基于二進(jìn)制編碼的離散粒子群算法，開展了離散纖維纏繞角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　最后，為充分發(fā)揮復(fù)合材料框架結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)構(gòu)型與材料纏繞參數(shù)兩個(gè)幾何層級上的可設(shè)計(jì)性優(yōu)勢，開展了復(fù)合材料框架結(jié)構(gòu)構(gòu)型與材料纏繞參數(shù)一體化的優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體優(yōu)化計(jì)算中，以結(jié)構(gòu)構(gòu)型參數(shù)（如復(fù)合材料框架中每根管件的內(nèi)半徑）和材料纏繞參數(shù)（如纖維纏繞角度、單層中纖維含量）為設(shè)計(jì)變量，以框架結(jié)構(gòu)總體積、總纖維含量為約束函數(shù)，分別以基