CN103399755A - 复合材料等厚度层压板铺层优化方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料等厚度层压板铺层优化方法，适用于所有复合材料层压板结构铺层设计。具体方法包括：首先进行基础铺层的四进制法优化，然后以四进制优化方法输出的参考序列为输入，通过强度计算工具进行二次优化，计算在特定载荷条件下当前层压板的单层最小安全裕度，将所有满足条件的参考序列按照单层最小安全裕度排序，输出单层安全裕度最大的五个序列。本发明使设计员从繁琐的铺层设计工作中解脱出来，可直接用程序生成有效的基础铺层，也可直接从用该方法生成的基础铺层库中提出对应受力状态和层数的铺层序列，方便又快捷。为后续变厚度层压板的优化做了铺垫。

Description

复合材料等厚度层压板铺层优化方法

技术领域

本发明是适用于所有复合材料层压板结构铺层设计，特别是涉及一种复合材料等厚度层压板铺层优化方法。 

背景技术

在复合材料结构设计过程中，铺层的设计是一项重要却又繁复的工作，其设计的优劣直接影响到层压板的性能。而在层压板设计之初，需要确定一个基础铺层；根据复合材料结构受力特点，可以将结构大致分为3大类，既以拉压为主的结构，以受剪切为主的结构和趋于各向同性的连接结构。不管多复杂的结构，都可以划分到这3大类情况下，因此研究出一个有效的方法来建立这3类主要受力特点的基础铺层库极具通用性，意义重大。 

在2010年与庞巴迪和西班牙的AERNNOVA公司进行C系列中央翼盒的技术转移过程中，发现庞巴迪公司没有一个有效的方法自动生成基础铺层，初始铺层靠人工确定，效率低下，费时费力；AERNNOVA公司有一个基础铺层库，但不完善，通用性不强。 

发明内容

本发明的目的是提供一种有效快捷的合材料等厚度层压板铺层优化方法，建立一个完善且通用性强的基础铺层库，既可以节省复合材料结构设计员大量的时间，又可以提高整个层压板的铺层优化效率。 

本发明的目的是通过以下技术实现的： 

本发明一种复合材料等厚度层压板铺层优化方法，首先，进行基础铺层的四进制法优化，然后，以四进制优化方法输出的参考序列为输入，通过强度计算工具进行二次优化，计算在特定载荷条件下当前层压板的单层最小安全裕度，将所有满足条件的参考序列按照单层最小安全裕度排序，输出单层安全裕度最大的五个序列。 

所述四进制法优化方法是在复合材料结构中，分别用0、1、2、3四进制数表示铺层角度为0°、+45°、-45°、90°，按照复合材料的通用铺层设计准则作为优化条件，将满足条件的结果以参考序列的形式输出。 

所述四进制法优化方法的优化程序包括如下步骤： 

第一步：输入有效的铺层总数M； 

第二步：判断铺层总数M是否介于12到100之间？ 

第三步：如果M介于12到100之间，则根据结构受力特点选择适用的铺层比；如果M不介于12到100之间，则返回第一步； 

第四步：根据第三步所述的铺层比自动分配各角度层数和基准序列； 

第五步：对铺层总数M进行偶数化处理，输出参考序列。 

所述铺层比例选择按照如下方法：层压板主要受拉压的结构，其0°，±45°和90°的铺层比例为60:30:10；层压板主要承受剪切载荷的结构，其0°，±45°和90°的铺层比例为44:44:12；层压板为连接区域，其0°，±45°和90°的铺层比例为25:50:25。 

所述铺层总数M进行偶数化处理步骤如下： 

第一步：判断M是否为奇数， 

第二步：如果M为奇数，且M-1＞N，其中N为基准序列长度；或者M为偶数时，进行活动序列优化方法； 

第三步：判断各角度铺层的数量是否符合要求； 

第四步：各角度的铺层数量符合要求，判断过渡序列是否符合要求；如果各角度的铺层数量不符合要求，则返回第二步，继续进行活动序列优化算法； 

第五步：过渡序列符合要求则输出参考序列；不符合要求则返回第二步，继续进行活动序列优化算法。 

所述过渡序列是所述四进制优化方法得到的活动序列与基准序列做字符串加法得到。 

所述参考序列，是根据铺层总数M的奇偶性，对过渡序列进行处理得到，处理方法如下：如果M为偶数，则将过渡序列及其对称序列做字符串加法得到参考序列；如果M为奇数，则将过渡序列及其对称序列做字符串加法后，在所得序列的中间位置添加字符“0”，得到参考序列。 

所述采用强度计算工具进行二次优化的方法如下： 

第一步：把多个符合复合材料的铺层约束条件的输出参考序列输入强度计算工具； 

第二步：输入实际载荷：有效弯矩； 

第三步：通过经典层压板理论计算层压板刚度矩阵； 

第四步：通过蔡吴准则计算当前层压板的单层最小安全裕度； 

第五步：将所有满足条件的参考序列按照单层最小安全裕度排序，输出单层安全裕度最大的五个序列。 

本发明的有益效果： 

通过本发明的方法生成的铺层库具有以下特征： 

1.涵盖面广。从12层到100层，都有对应的铺层序列，且每层给出5个结果，供后续多厚度层压板优化时选择。 

2.已经过优化。每层都按照铺层设计准则进行了程序优化，并利用强度计算工具，模拟典型载荷状态对程序输出结果进行了以安全裕度为判据的二次优化，并按优化结果排序，输出5个最优解。 

3.使设计员从繁琐的铺层设计工作中解脱出来。铺层设计之初，设计员改变了以往的人工确定初始铺层的麻烦，有了该铺层优化方法，可直接用程序生成有效的基础铺层，也可直接从用该方法生成的基础铺层库中提出对应受力状态和层数的铺层序列，方便又快捷。 

4.为后续变厚度层压板的优化做了铺垫。变厚度层压板的优化要在各个单一厚度层压板的基础铺层的基础上进行，如果单一厚度的层压板不合理，会导致后续优化过程出现问题，也会影响整个层压板的铺层优化效率。 

附图说明

图1为本发明四进制优化方法程序框图；其中M为铺层总数，N为基准序列的长度。 

图2为图1程序运行截图。 

图3为本发明强度二次优化程序框图。 

图4为本发明应用经典层压板理论计算层压板刚度矩阵示意图。 

图5为本发明最终输出结果的图表。 

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述： 

实施例：复合材料层压板的性能，诸如刚度、强度、冲击后压缩强度、振动特性等都与层压板的铺层顺序有关。一般来说，每种性能与铺层顺序的关系各不相同，所以在针对特定的设计情况选择铺层顺序时，需要做折衷考虑。铺层顺序是铺层方向沿层压板厚度分布的描述，随着所选方向铺层数的增加，可能的铺层序列也越多。因此结合设计要求选定铺层总数及铺层比例之后，可以开发应用程序筛选满足层压板设计准则的铺层顺序，从而缩短层压板的设计周期。 

如图1所示，本发明首先进行基础铺层库的四进制法优化，然后以四进制优化方法输出的参考序列为输入，通过强度计算工具进行二次优化，计算在特定载荷条件下当前层压板的单层最小安全裕度，将所有满足条件的参考序列按照单层最小安全裕度排序，输出单层安全裕度最大的五个序列。 

1.四进制法优化方法： 

所述四进制法优化方法是在复合材料结构中，分别用0、1、2、3四进制数表示最常用的铺层角度为0°、+45°、-45°、90°，按照国内外通用的复合材料的铺层设计准则和以往设计经验作为优化条件，通过四进制优化程序，将满足条件的结果以参考序列的形式输出。 

如图1所示，所述四进制法优化程序包括如下步骤： 

第一步：输入有效的铺层总数M； 

第二步：第一步：输入有效的铺层总数M； 

第二步：判断铺层总数M是否介于12到100之间？ 

第三步：如果M介于12到100之间，则根据结构受力特点选择适用的铺层比：如主要受拉压的结构，0°，±45°和90°的铺层比例（%）（铺层比例为该层数占层压板铺层总数的百分率）为60:30:10；主要承受剪切载荷的结构选择44:44:12；连接区域选择25:50:25；如果M不介于12到100之间，则返回第一步； 

第四步：根据第三步所述的铺层比自动分配各角度层数和基准序列； 

第五步：对铺层总数M进行偶数化处理，输出参考序列。 

所述铺层总数M进行偶数化处理步骤如下： 

第一步：判断M是否为奇数？ 

第二步：如果M为奇数，且M-1＞N，如果M为偶数则直接进行活动序列四进制优化，其中M为铺层总数，N为基准序列长度； 

第三步：判断各角度铺层数是否符合要求； 

第四步：如果各角度铺层数符合要求，则输出过渡序列；各角度铺层数不符合要求，则返回第二步，继续进行活动序列的四进制优化； 

第五步：过渡序列符合要求则输出参考序列；不符合要求，则返回第二步，继续进行活动序列的四进制优化。 

四进制法优化程序输出的参考序列，由基准序列和活动序列组成。基准序列是结合设计经验给出的，活动序列则是通过四进制优化法获得。 

所述过渡序列是将基准序列与四进制优化法得到的活动序列做字符串加法得到。 

所述参考序列，是根据铺层总数M的奇偶性，对过渡序列进行处理得到，处理方法如下：如果M为偶数，则将过渡序列及其对称序列做字符串加法得到参考序列；如果M为奇数，则将过渡序列及其对称序列做字符串加法后，在所得序列的中间位置添加字符“0”，得到参考序列。 

按照上述优化程序循环往复，输出多个满足约束条件的序列。 

2.如图3所示，通过强度计算工具进行二次优化方法： 

第一步：把多个符合复合材料的铺层约束条件的输出参考序列输入强度计算工具； 

第二步：输入实际载荷：有效弯矩Mx；其中Mx为相对x轴的弯矩； 

第三步：通过经典层压板理论计算层压板刚度矩阵，如图4所示； 

第四步：通过蔡吴准则，计算当前层压板的单层最小安全裕度MS； 

$F_{11}{\mathrm{\σ}}_1^{\mathrm{\Σ}}+F_{22}{\mathrm{\σ}}_2^{\mathrm{\Σ}}+2F_{19}{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2+F_{66}{\mathrm{\σ}}_2^2+F_1{\mathrm{\σ}}_1+F_2{\mathrm{\σ}}_2=\mathrm{FI}$

$F_{11}=\frac{1}{X_t{X}_2},$ $F_{22}=\frac{1}{Y_t{Y}_2},$ $F_{66}=\frac{1}{8^2},$ $F_{12}=\frac{F_{12}^{*}}{\sqrt{X_t{X}_2{Y}_t{Y}_2}},$ $F_1=(\frac{1}{X_t}-\frac{1}{X_2}),$ $F_2=(\frac{1}{Y_t}-\frac{1}{Y_2})$

$\mathrm{MS}=\frac{-E+\sqrt{B^{\mathrm{\Σ}}+4A}}{\mathrm{\ΣA}}-1,$ 其中    $A=F_{11}{\mathrm{\σ}}_1^2+F_{22}{\mathrm{\σ}}_2^2+2F_{12}{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2+F_{22}{\mathrm{\σ}}_6^2,$ B＝F₂σ₁+F₂σ₂； 

Xt、Yt为复合材料沿x、y轴的拉伸强度，Xc为复合材料沿x、y轴的压缩强度，S为复合材料在xy平面内的剪切强度，F^* ₁₂=-0.5； 

第五步：将所有满足条件的参考序列按照单层最小安全裕度排序，输出单层安全裕度最大的五个序列，输出结果如图5所示。 

Claims (8)

1.一种复合材料等厚度层压板铺层优化方法，其特征在于：首先进行基础铺层的四进制法优化，然后以四进制优化方法输出的参考序列为输入，通过强度计算工具进行二次优化，计算在特定载荷条件下当前层压板的单层最小安全裕度，将所有满足条件的参考序列按照单层最小安全裕度排序，输出单层安全裕度最大的五个序列。

2.根据权利要求1所述复合材料等厚度层压板铺层优化方法，其特征在于：所述四进制法优化方法是在复合材料结构中，分别用0、1、2、3四进制数表示铺层角度为0°、+45°、-45°、90°，按照复合材料的通用铺层设计准则作为优化条件，将满足条件的结果以参考序列的形式输出。

3.根据权利要求1所述复合材料等厚度层压板铺层优化方法，其特征在于：所述四进制法优化方法的优化程序包括如下步骤：

第一步：输入有效的铺层总数M；

第二步：判断铺层总数M是否介于12到100之间？

第三步：如果M介于12到100之间，则根据结构受力特点选择适用的铺层比；如果M不介于12到100之间，则返回第一步；

第四步：根据第三步所述的铺层比自动分配各角度层数和基准序列；

第五步：对铺层总数M进行偶数化处理，输出参考序列。

4.根据权利要求3所述复合材料等厚度层压板铺层优化方法，其特征在于：所述铺层比例选择按照如下方法：层压板主要受拉压的结构，其0°，±45°和90°的铺层比例为60:30:10；层压板主要承受剪切载荷的结构，其0°，±45°和90°的铺层比例为44:44:12；层压板为连接区域，其0°，±45°和90°的铺层比例为25:50:25。

5.根据权利要求3所述复合材料等厚度层压板铺层优化方法，其特征在于：所述铺层总数M进行偶数化处理步骤如下：

第一步：判断M是否为奇数，

第二步：如果M为奇数，且M-1＞N，其中N为基准序列长度；或者M为偶数时，进行活动序列优化方法；

第三步：判断各角度铺层的数量是否符合要求；

第四步：各角度的铺层数量符合要求，判断过渡序列是否符合要求；如果各角度的铺层数量不符合要求，则返回第二步，继续进行活动序列优化算法；

第五步：过渡序列符合要求则输出参考序列；不符合要求则返回第二步，继续进行活动序列优化算法。

6.根据权利要求5所述复合材料等厚度层压板铺层优化方法，其特征在于：所述过渡序列是所述四进制优化方法得到的活动序列与基准序列做字符串加法得到。

7.根据权利要求5所述复合材料等厚度层压板铺层优化方法，其特征在于：所述参考序列，是根据铺层总数M的奇偶性，对过渡序列进行处理得到，处理方法如下：如果M为偶数，则将过渡序列及其对称序列做字符串加法得到参考序列；如果M为奇数，则将过渡序列及其对称序列做字符串加法后，在所得序列的中间位置添加字符“0”，得到参考序列。

8.根据权利要求1所述复合材料等厚度层压板铺层优化方法，其特征在于：所述采用强度计算工具进行二次优化的方法如下：

第一步：把多个符合复合材料的铺层约束条件的输出参考序列输入强度计算工具；

第二步：输入实际载荷：有效弯矩；

第三步：通过经典层压板理论计算层压板刚度矩阵；

第四步：通过蔡吴准则计算当前层压板的单层最小安全裕度；

第五步：将所有满足条件的参考序列按照单层最小安全裕度排序，输出单层安全裕度最大的五个序列。

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