CN103400017B - 复合材料铺层调整的工程优化方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料铺层调整的工程优化方法，属于复合材料技术领域。包括铺层比例调整优化方法和定向铺层堆栈调整方法，所述铺层比例调整优化方法是基于复合材料层压板零件当前结构的初始铺层数据，以整体结构的铺层角比例差AML指标变化最小为优化目标，通过规划求解的计算方法，得到彼此兼容的铺层比例数据，然后以铺层比例调整优化方法得到的铺层比例数据为输入，进行定向铺层堆栈调整方法，得到可用于生产制造的最终铺层数据。本发明通过计算机海量分析各种设计可能，弥补了设计员经验的不足；提高了工作效率，节约了设计工时，同时可以根据具体项目要求，改变限制条件，并在短时间内获得结果，提高了输出结果的置信水平，降低了设计风险。

Description

复合材料铺层调整的工程优化方法

技术领域

本发明是用于复合材料层压板结构铺层调整的工程优化方法。

背景技术

目前，复合材料层压板结构铺层调整工作主要由设计员根据相关设计准则，手工进行操作，这占用了设计员的大量时间。而且由于复合材料铺层设计准则大多数为定性原则，导致铺层调整的设计质量完全依赖于设计员的经验水平。并且调整结果的优劣在调整过程中，设计员难以判断，只能等待后续强度的校核。这往往导致几轮的反复，造成了设计节点的延误。

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，以外方一名十年复合材料设计经验的设计员为例，其手工调整一项较为简单的梁壁板零件，仍需一周的时间。并且由于调整过程中涉及各专业的因素考量，调整过程往往顾此失彼，需要几轮反复。同时由于此环节是连接设计方案与真实产品的关键环节，所以其设计的优劣与效率对项目进展有很大的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合材料设计中铺层调整的工程优化方法，并通过计算机程序实现，提高工作效率。

本发明的目的是通过以下技术实现的：本发明包括铺层比例调整优化方法和定向铺层堆栈调整方法，所述铺层比例调整优化方法是基于复合材料层压板零件当前结构的初始铺层数据，以复合材料总体结构的铺层角比例差AML指标变化最小为优化目标，通过规划求解的计算方法，得到彼此兼容的铺层比例数据；然后以上述铺层比例调整优化方法得到的铺层比例数据为输入，进行定向铺层堆栈调整方法。

本发明中所述铺层比例调整优化方法，具体步骤如下：

(1)读取初始铺层数据，并统计每一区域内各角度的总层数及不同角度的总层数；

(2)建立求解模型，即按序建立参数计算公式，分别为：

①各角度铺层比例＝该角度铺层数/总层数，

②铺层角比例差AML＝％±45-％0-|％(+45)-％(-45)|/2；

(3)完成限制条件和目标函数的设定，包括设定奇偶条件、设定层数条件、设定比例条件及设定求解目标；

(4)设定求解精度；

(5)规划求解计算；

(6)判断并输出。

所述设定奇偶条件：在铺层比例的调整过程中，±45°的铺层数恒为偶数，其通过以下公式实现：

±45°铺层数＝N*2，其中N为计算机随机指定的非负整数；

所述设定层数条件：即设定各厚度区域的总层数，在某一厚度区域内的各角度铺层数在变化时，保持该厚度区域内的总层数不变，其公式为：总层数＝(0°层数)+(45°层数)+(-45°层数)+(90°层数)。

设定比例条件是在铺层比例的调整过程中，自动分析各区域中各角度铺层比例可能的调整范围；即在某一厚度区域内的各角度铺层比例在变化时，不应超过该厚度区域指定的比例范围。

所述比例范围的计算方法为：

首先，将不同的角度铺层比例分为3个族，即：

a)SOFT：(40,40,20)，即0°占40％，±45°占40％，90°占20％；

b)HARD：(60,30,10)，即0°占60％，±45°占30％，90°占10％；

c)QUSI：(25,50,25)，即0°占25％，±45°占50％，90°占25％；

其次，设定比例上下浮动范围为5％，对多厚度区层压板逐区域进行分析，在设定活动范围内，确定与上述比例族的比例最为接近的区域；

然后，根据确定区域的对应比例族确定比例限定范围。

所述QUSI铺层与SOFT铺层相邻，且两者不兼容时，原QUSI铺层向SOFT铺层比例进行变化。

所述目标函数的设定是以铺层角比例差AML整体变化最小为目标函数。

所述初始铺层数据包括铺层区域分区、各区域铺层总数及各区域中各角度铺层层数。

所述定向铺层堆栈调整方法是以铺层比例调整优化方法的计算结果为铺层数的输入，而后对最薄层区域进行保护，即保持最薄层不变，以其输入状态的空间铺层堆栈次序为基准，随后次薄层在保持与最薄层堆栈次序相容的前提下，生成所有可能的堆栈次序设计方案，并通过现有的经典层压板计算工具进行计算，直至得到最优解；随后再以当前堆栈为基准，进行下一次薄区域的计算，依次递推，完成从最薄层到最厚层的堆栈次序调整过程。

所述定向铺层堆栈调整方法，具体步骤为：

(1)读取基准堆栈次序；

(2)生成所有与基准堆栈相容的可能次厚层堆栈；

(3)顺序读取可能次厚层堆栈；

(4)判断是否符合设计、制造要求；

(5)如不符合，则返回上一步，再重新顺序读取可能次厚层堆栈；

(6)如果符合，则代入经典层压板理论计算工具进行计算，通过计算得到当前堆栈次序的D16，D26，并与上一次的计算结果比较；其中D16，D26为扭转与弯曲之间的耦合刚度系数；

(7)如果结果较上次更好，则刷新保存现有结果；如果否，则返回第(3)步，再重新顺序读取可能次厚层堆栈；

(8)判断次厚层可能堆栈是否分析完毕；

(9)如果是，则把当前保存的结果作为新的基准堆栈次序；如果否，则返回第(3)步，再重新顺序读取可能次厚层堆栈；

(10)判断是否所有区域分析完毕；

(11)如果是，则分析结束；如果否，则返回第(1)步。

所述第二步生成所有与基准堆栈相容的可能次厚层堆栈,具体方法为：首先，根据层压板对称均衡的要求，将基准堆栈和待分析堆栈的铺层数量各自减半；随后，将基准堆栈和待分析堆栈中相同的元素，按空间顺序依次取出，形成序列1；将待分析堆栈中特有的元素取出，形成序列2；将序列2进行全排列，而后将序列2的全排列结果依次与序列1进行交叉组合，组合过程中依然保持序列1元素原有的空间顺序；每次组合形成一个新的序列，即为可能的次厚层堆栈。

本发明的有益效果：

1.本发明适用于复合材料实体层压板结构，可推广性好。本发明利用计算机运算速度的优势，海量分析各种设计可能，弥补了设计员经验的不足。提高了工作效率，节约了设计工时，同时可以根据具体项目要求，改变限制条件，并在短时间内获得结果，帮助设计员快速掌握关键参数。将设计员从繁重的工作中解脱出来，使其可以同步进行建模设计工作，实现并行工程。

2.本发明定向调整方法是通过从最薄层到最厚层的定向调整方法，与非定向的无序分析模式相比，大大减少了待分析的数据量，提高了运算效率。同时更加符合工程实践。本发明将制造、设计、强度的通用要求以代码算法的形式进行体现，可以实现快速的待选方案预处理，及时过滤掉不可行方案。本发明先将待选方案镜像还原为完整铺层，而后代入内嵌的经典层压板计算工具，并取回结果，留待分析，并不断重复此过程。提高了输出结果的置信水平，减小了方案大面积修改的几率，降低了设计风险。

附图说明

图1为本发明铺层时不同厚度的区域之间不相互兼容的示意图。

图2为典型多厚度区层压板铺层输入图表示例。

图3为本发明铺层比例调整优化运行界面截图。

图4为本发明铺层比例调整程序逻辑框图。

图5为本发明堆栈调整方法计算进度截图。

图6为本发明中定向铺层堆栈调整方法程序框图。

图7为原始铺层输入和优化后结果对照；其中图7(a)为原始铺层输入；图7(b)为优化后结果。

图8安全裕度对比。

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：本发明是在进行多厚度区复合材料层压板铺层设计时，将复合材料铺层库和复合材料零件的结构特征进行综合分析，以得到符合结构、强度、制造等专业要求的铺层设计结果。

为实现上述技术方案，本发明包括铺层比例调整优化方法和定向铺层堆栈调整方法，所述铺层比例调整优化方法是基于设计输入的复合材料层压板零件当前结构的初始铺层数据，包括铺层区域分区、各区域铺层总数及各区域中各角度铺层层数，以整体结构的铺层角比例差AML指标变化最小为优化目标，通过规划求解的现有计算方法，求解彼此兼容的铺层比例数据；然后以得到的铺层比例数据为输入，进行定向铺层堆栈调整方法。

如图4所示，所述铺层比例调整优化方法，具体步骤如下：

(1)读取初始铺层数据，并统计每一区域内各角度的总层数及不同角度的总层数；

由于输入时的铺层库只考虑单一厚度的零件，而对于多厚度区的复合材料层压板来说，从铺层库中选取的初始铺层直接组合在一起往往是不兼容的，所以本发明就是针对这一情况进行优化。如图2所示为典型铺层数据输入形式示例，但这种形式难以进行数据计算处理，所以首先要将其转化为如表1所示的形式，统计出每一区域内各角度的总层数及不同角度的总层数。

表1：

名称	ZONE1，2	ZONE3	ZONE4	ZONE5，6	ZONE7
						总层数	40	32	26	20	16
0°层数	10	20	14	6	6
						45°层数	10	4	4	6	4
-45°层数	10	4	4	6	4
						90°层数	10	4	4	2	2

注：ZONE指不同厚度的铺层区域。

如表1所示的列子，此多厚度区层压板是不兼容的。原因在于：ZONE1,2的总层数虽然大于相邻的ZONE3，但是ZONE1,2铺层中的0°层数所占总层数的比例却低于ZONE3中0°层数占总层数的比例。这就意味着在制造过程中，在空间位置上ZONE1,2没有足够的0°铺层与ZONE3中的0°铺层组成连续层，这就造成了ZONE3中的一部分0°铺层周围的铺层与其角度不一致，使其成为“割裂”的铺层，如图1所示。这无论对结构强度而言，还是对制造而言都是不利的，所以需要对其进行调整。

(2)建立求解模型，即按序建立参数计算公式，分别为：

①：各角度铺层比例＝该角度铺层数/总层数；

②：铺层角比例差AML＝％±45-％0-|％(+45)-％(-45)|/2；

如表2所示为一种可行的调整方法，但实际上类似可能的调整方案个数随着厚度区个数的增加呈指数级增长，所以要对调整的方向施加限制条件，以使得结果满足各方面的要求。本步骤就是按一定顺序组合并建立参数计算的公式，以方便后续规划求解计算的进行并在求解过程中进行监控。

表2：

名称	ZONE1，2	ZONE3	ZONE4	ZONE5，6	ZONE7
						总层数	40	32	26	20	16
0°层数	18	18	14	8	6
						45°层数	8	4	4	4	4
-45°层数	8	4	4	4	4
						90°层数	6	6	4	4	2

(3)完成限制条件和目标函数的设定，包括设定奇偶条件、设定层数条件、设定比例条件及设定求解目标，以方便后续进行求解计算；

设定奇偶条件：在铺层数变化，铺层比例的调整过程中，±45°的铺层数恒为偶数，其通过以下公式实现：

±45°铺层数＝N*2，其中N为计算机随机指定的非负整数；

设定总层数条件：即设定各厚度区域的总层数，在某一厚度区域内的各角度铺层数在变化时，保持该厚度区域内的总层数不变，即：总层数＝(0°层数)+(45°层数)+(-45°层数)+(90°层数)

设定比例条件：在铺层比例的调整过程中，自动分析各区域中各角度铺层比例可能的调整范围；即在某一厚度区域内的各角度铺层比例在变化时，不应超过该厚度区域指定的比例范围，而此指定的比例范围的计算方法为：

首先，由于0°，±45°，90°角度铺层所占比例的不同，产品性能也不同。所以根据工程实践，将不同的角度铺层比例分为3个族，即：

a)SOFT：(40,40,20)，即0°占40％，±45°占40％，90°占20％；

b)HARD：(60,30,10)，即0°占60％，±45°占30％，90°占10％；

c)QUSI：(25,50,25)，即0°占25％，±45°占50％，90°占25％；

其次，由于每个区域的铺层比例不可能正好是上述规定的3个族的比例，需要人为设定比例上下浮动范围为5％，对多厚度区层压板逐区域进行分析：该区域在设定活动范围内，与上述哪一族的比例最为接近，并将该区域认定为此比例族；

然后，根据确定区域的对应比例族的确定比例限定范围。其中的SOFT、HARD和QUSI为用于标示复合材料层压板铺层比例范围的技术术语，分别表示为：SOFT——一般复合材料蒙皮、腹板；HARD：一般复合材料长桁、加强筋；QUSI：一般重要的复合材料连接区域。

上述比例范围的计算方法，在QUSI铺层与SOFT铺层相邻，且两者存在不兼容现象时则根据工程实践，本发明将自动设定，原QUSI铺层向SOFT铺层比例进行变化。最终得到的输出结果更好。

设定求解目标：以铺层角比例差AML(AngleMinusLongitudinal)整体变化最小为目标函数；

由于对每一个区域的铺层比例调整，都会改变其在强度方面的性能，对最终产品的安全性产生影响。所以本发明采用行业内现有的铺层角比例差AML来衡量调整的结果对原有性能的影响。AML是复合材料层压板设计中的一个重要指标，主要衡量层压板受冲击后重新分配载荷的能力。故此铺层比例调整的求解目标为多厚度区层压板铺层比例调整后整体AML变化量最小，而：

整体AML变化量＝各个区域的AML绝对变化量之和，

其中各个区域的AML绝对变化量公式为：

AML绝对变化量＝|比例调整前的AML-比例调整后的AML|

(4)通过本发明的窗口交互界面，设定求解精度为默认精度；

(5)通过现有规划求解工具进行计算；

(6)通过运算后的窗口交互界面，判断是否满足所有条件，如果是，则输出结果；如果否，则返回重新设定限制条件。

综上，本发明以初始铺层表为基础，根据结构、强度、制造等专业的要求设定限制条件，不断改变铺层表中各角度的铺层数，并考虑其对总体AML的影响，最终挑选出对总体AML影响最小，且符合各种限制条件的铺层表。运算界面和逻辑框图如图3、图4所示。

在经过上述优化得到铺层表后，由于对原有输入铺层数进行了微调，所以铺层的空间位置也需要重新进行优化。

为考虑铺层堆栈次序的影响，需要对经典层压板理论进行说明，如公式1-4所示为经典层压板理论的现有公式。

$\left.\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{N}_x\\ N_y\\ N_{xy}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{A}_{11}& A_{12}& A_{16}\\ A_{12}& A_{22}& A_{26}\\ A_{16}& A_{26}& A_{66}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x^0\\ {\mathrm{\ϵ}}_y^0\\ {\mathrm{\γ}}_{xy}^0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{B}_{11}& B_{12}& B_{16}\\ B_{12}& B_{22}& B_{26}\\ B_{16}& B_{26}& B_{66}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{K}_x\\ K_y\\ K_{xy}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{M}_x\\ M_y\\ M_{xy}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{B}_{11}& B_{12}& B_{16}\\ B_{12}& B_{22}& B_{26}\\ B_{16}& B_{26}& B_{66}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x^0\\ {\mathrm{\ϵ}}_y^0\\ {\mathrm{\γ}}_{xy}^0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{D}_{11}& D_{12}& D_{16}\\ D_{12}& D_{22}& D_{26}\\ D_{16}& D_{26}& D_{66}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{K}_x\\ K_y\\ K_{xy}\end{array}\right]\end{array}\right\}$ 公式1

其中为中面应变，K_x,K_y,K_xy为中面曲率，扭曲率。式中，Aij,Bij,

Dij由下式定义：

$\left.\begin{array}{c}{A}_{ij}=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(\stackrel{\‾}{Q_{ij}}\right)}_k(z_k-z_{k-1})\\ B_{ij}=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(\stackrel{\‾}{Q_{ij}}\right)}_k(z_k^2-z_{k-1}^2)\\ D_{ij}=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(\stackrel{\‾}{Q_{ij}}\right)}_k(z_k^3-z_{k-1}^3)\end{array}\right\}$ 公式2

其中z_k是各个铺层距离中面的距离，由下式定义：

$\left.\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{Q_{11}}=Q_{11}{\cos }^4\mathrm{\θ}+2(Q_{12}+2Q_{66}){\sin }^2{\mathrm{\θcos}}^2\mathrm{\θ}+Q_{22}{\sin }^4\mathrm{\θ}\\ \stackrel{\‾}{Q_{12}}=(Q_{11}+Q_{\mathrm{22}}-4Q_{\mathrm{66}}){\sin }^2{\mathrm{\θcos}}^2\mathrm{\θ}+Q_{12}({\sin }^4\mathrm{\θ}+{\cos }^4\mathrm{\θ})\\ \stackrel{\‾}{Q_{22}}=Q_{11}{\sin }^4\mathrm{\θ}+2(Q_{12}+2Q_{66}){\sin }^2{\mathrm{\θcos}}^2\mathrm{\θ}+Q_{22}{\cos }^4\mathrm{\θ}\\ \stackrel{\‾}{Q_{16}}=(Q_{11}-Q_{\mathrm{12}}-2Q_{\mathrm{66}}){\mathrm{sin\θcos}}^3\mathrm{\θ}+(Q_{12}-Q_{\mathrm{22}}+2Q_{\mathrm{66}}){\sin }^3\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}\\ \stackrel{\‾}{Q_{26}}=(Q_{11}-Q_{\mathrm{12}}-2Q_{\mathrm{66}}){\sin }^3\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}+(Q_{12}-Q_{\mathrm{22}}+2Q_{\mathrm{66}}){\mathrm{sin\θcos}}^3\mathrm{\θ}\\ \stackrel{\‾}{Q_{66}}=(Q_{11}+Q_{\mathrm{22}}-2Q_{12}-2Q_{66}){\sin }^2{\mathrm{\θcos}}^2\mathrm{\θ}+Q_{66}\left({\sin }^4\mathrm{\θ}+{\cos }^4\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right\}$ 公式3

其中Qij用工程弹性常数表示如下：

$\left.\begin{array}{c}{Q}_{11}=\frac{E_1}{1-{\mathrm{\ν}}_{12}{\mathrm{\ν}}_{21}},Q_{22}=\frac{E_2}{1-{\mathrm{\ν}}_{12}{\mathrm{\ν}}_{21}}\\ Q_{12}=\frac{{\mathrm{\ν}}_{21}{E}_1}{1-{\mathrm{\ν}}_{12}{\mathrm{\ν}}_{21}}=\frac{{\mathrm{\ν}}_{12}{E}_2}{1-{\mathrm{\ν}}_{12}{\mathrm{\ν}}_{21}},Q_{66}=G_{12}\end{array}\right\}$ 公式4

综合上式可见，Aij只是面内内力与中面应变有关的刚度系数，统称为拉伸刚度；Bij表示弯曲、拉伸之间有耦合关系，统称为耦合刚度；Dij只是内力矩与曲率及扭曲率有关的刚度系数，统称为弯曲刚度。在这些刚度系数中，由于耦合刚度系数会引起附加的形变，所以需要重点进行关注，其中：A16，A26为剪切与拉伸之间的耦合刚度系数；B11,B12，B22为拉伸与弯曲之间的耦合刚度系数；B66为剪切与扭转之间的耦合刚度系数；B16，B26为拉伸与扭转或剪切与弯曲之间的耦合刚度系数；D11,D12,D22为弯曲与曲率之间的刚度系数；D66为扭转与扭曲率之间的刚度系数；D16，D26为扭转与弯曲之间的耦合刚度系数。

在复合材料层压板设计中只一般采用0，45，-45，90四种角度，所以将四种角度带入上述公式1-公式4中，来研究其对耦合刚度系数的影响，可得到以下结论：

设计均衡的铺层，使得A16，A26为零，消除拉/剪耦合。

设计对称的铺层，使得Bij为零，消除弯/扭和拉/剪耦合。

对于弯/扭耦合刚度系数D16，D26来说，只有在层压板铺层均衡且相对于板的中面上方的每一个+θ方向的铺层，在距离中面等距离的下方有一个相同的(材料和厚度相同的)-θ方向的铺层时，D16，D26才为零。但这将违反对称均衡的结构设计原则。所以在工程实践中是不可能的情况。

由于工程设计中铺层肯定要保持对称均衡，即结论1，2是肯定会满足的，则铺层堆栈次序优化的目标就是使得D16,D26值尽可能的小。

通过上述的分析，指出了堆栈次序优化的目标。但是可能的堆栈次序结果有成千上万个，面对如此大的计算量，本发明提出了定向铺层堆栈调整算法，以加快求解速度。其理论基础为：基于重量控制的考虑，零件各个区域的安全裕度不会太大，这导致对于薄的区域来说，其调整的空间很小。

本发明所述定向铺层堆栈调整方法是以铺层比例调整优化方法的计算结果为铺层数的输入，而后对最薄层区域进行保护，即保持最薄层不变，以其输入状态的空间铺层堆栈次序为基准，随后次薄层在保持与最薄层堆栈次序相容的前提下，生成所有可能的堆栈次序设计方案，并调入现有的经典层压板计算工具进行计算，直至得到最优解；随后再以当前堆栈为基准，进行下一次薄区域的计算，依次递推，完成从最薄层到最厚层的堆栈次序调整过程。

如图5所示为程序运行截图，如图6所示为程序逻辑框图，所述定向铺层堆栈调整方法，具体步骤为：

(1)读取基准堆栈次序，以最薄层的堆栈次序为基准；

(2)生成所有与基准堆栈相容的可能次厚层堆栈；

(3)顺序读取可能次厚层堆栈；

(4)判断是否符合设计、制造要求？

(5)如不符合，则返回上一步，再重新顺序读取可能次厚层堆栈；

(6)如果符合，则代入经典层压板理论计算工具进行计算，通过计算得到当前堆栈次序的D16，D26，并与上一次的计算结果比较，其中D16，D26为扭转与弯曲之间的耦合刚度系数；

(7)如果结果较上次更好，则刷新保存现有结果；如果否，则返回第(3)步，再重新顺序读取可能次厚层堆栈；

(8)判断次厚层可能堆栈是否分析完毕？

(9)如果是，则把当前保存的结果作为新的基准堆栈次序；如果否，则返回第(3)步，再重新顺序读取可能次厚层堆栈；

(10)判断是否所有区域分析完毕？

(11)如果是，则分析结束；如果否，则返回第(1)步，再次读取基准堆栈次序。

所述第二步生成所有与基准堆栈相容的可能次厚层堆栈,具体方法为：首先，根据层压板对称均衡的要求，将基准堆栈和待分析堆栈的铺层数量各自减半；随后，将基准堆栈和待分析堆栈中相同的元素，按空间顺序依次取出，形成序列1；将待分析堆栈中特有的元素取出，形成序列2；将序列2进行全排列，而后将序列2的全排列结果依次与序列1进行交叉组合，组合过程中依然保持序列1元素原有的空间顺序；每次组合形成一个新的序列，即为可能的次厚层堆栈。如图7为原始铺层输入和优化后结果对照图表。

运行实例

根据某国际民机项目的实践，如图7(a)所示的原始铺层设计方案，经过本发明优化方法的结果，与真实产品中手动调整的结果对比如图7(b)所示；图8所示为两者的安全裕度对比。结果表明，两者的安全裕度水平相当，但工作效率提高了10倍，并且不需要设计员有很高的经验水平。

Claims (9)

1.一种复合材料铺层调整的工程优化方法，其特征在于：包括铺层比例调整优化方法和定向铺层堆栈调整方法，所述铺层比例调整优化方法是基于复合材料层压板零件当前结构的初始铺层数据，以整体结构的铺层角比例差AML指标变化最小为优化目标，通过规划求解的计算方法，得到彼此兼容的铺层比例数据，然后以铺层比例调整优化方法得到的铺层比例数据为输入，进行定向铺层堆栈调整方法；所述定向铺层堆栈调整方法是以铺层比例调整优化方法的计算结果为铺层数的输入，而后对最薄层区域进行保护，即保持最薄层不变，以其输入状态的空间铺层堆栈次序为基准，随后次薄层在保持与最薄层堆栈次序相容的前提下，生成所有可能的堆栈次序设计方案，并通过调入现有的经典层压板计算工具进行计算，直至得到最优解；随后再以当前堆栈为基准，进行下一次薄区域的计算，依次递推，完成从最薄层到最厚层的堆栈次序调整过程。

2.根据权利要求1所述复合材料铺层调整的工程优化方法，其特征在于：所述铺层比例调整优化方法，具体步骤如下：

(1)读取初始铺层数据，并统计每一区域内各角度的总层数及不同角度的总层数；

(2)建立求解模型，即按序建立参数计算公式，分别为：

①各角度铺层比例＝该角度铺层数/总层数，

②铺层角比例差AML＝％±45-％0-|％(+45)-％(-45)|/2；

(3)完成限制条件和目标函数的设定，包括设定奇偶条件、设定层数条件、设定比例条件及设定求解目标；

(4)设定求解精度；

(5)规划求解计算；

(6)判断并输出。

3.根据权利要求2所述复合材料铺层调整的工程优化方法，其特征在于：所述设定奇偶条件：在铺层比例的调整过程中，±45°的铺层数恒为偶数，其通过以下公式实现：

±45°铺层数＝N*2，其中N为计算机随机指定的非负整数；

所述设定层数条件：即设定各厚度区域的总层数，在某一厚度区域内的各角度铺层数在变化时，保持该厚度区域内的总层数不变，其公式为：总层数＝(0°层数)+(45°层数)+(-45°层数)+(90°层数)，

设定比例条件是在铺层比例的调整过程中，自动分析各区域中各角度铺层比例可能的调整范围；即在某一厚度区域内的各角度铺层比例在变化时，不应超过该厚度区域指定的比例范围。

4.根据权利要求3所述复合材料铺层调整的工程优化方法，其特征在于：所述比例范围的计算方法为：

首先，将不同的角度铺层比例分为3个族，即：

a)SOFT：(40,40,20)，即0°占40％，±45°占40％，90°占20％；

b)HARD：(60,30,10)，即0°占60％，±45°占30％，90°占10％；

c)QUSI：(25,50,25)，即0°占25％，±45°占50％，90°占25％；

其次，设定比例上下浮动范围为5％，对多厚度区层压板逐区域进行分析，在设定活动范围内，确定与上述比例族的比例最为接近的区域；

然后，根据确定区域的对应比例族确定比例限定范围。

5.根据权利要求4所述复合材料铺层调整的工程优化方法，其特征在于：所述QUSI铺层与SOFT铺层相邻，且两者不兼容时，原QUSI铺层向SOFT铺层比例进行变化。

6.根据权利要求2所述复合材料铺层调整的工程优化方法，其特征在于：所述目标函数的设定是以铺层角比例差AML整体变化最小为目标函数。

7.根据权利要求1所述复合材料铺层调整的工程优化方法，其特征在于：所述初始铺层数据包括铺层区域分区、各区域铺层总数及各区域中各角度铺层层数。

8.根据权利要求1所述复合材料铺层调整的工程优化方法，其特征在于：所述定向铺层堆栈调整方法，具体步骤为：

(1)读取基准堆栈次序；

(2)生成所有与基准堆栈相容的可能次厚层堆栈；

(3)顺序读取可能次厚层堆栈；

(4)判断是否符合设计、制造要求；

(5)如不符合，则返回上一步，再重新顺序读取可能次厚层堆栈；

(6)如果符合，则代入经典层压板理论计算工具进行计算，通过计算得到当前堆栈次序的D16，D26，并与上一次的计算结果比较；其中D16，D26为扭转与弯曲之间的耦合刚度系数；

(7)如果结果较上次更好，则刷新保存现有结果；如果否，则返回第(3)步，再重新顺序读取可能次厚层堆栈；

(8)判断次厚层可能堆栈是否分析完毕；

(9)如果是，则把当前保存的结果作为新的基准堆栈次序；如果否，则返回第(3)步，再重新顺序读取可能次厚层堆栈；

(10)判断是否所有区域分析完毕；

(11)如果是，则分析结束；如果否，则返回第(1)步。

9.根据权利要求8所述复合材料铺层调整的工程优化方法，其特征在于：所述第二步生成所有与基准堆栈相容的可能次厚层堆栈,具体方法为：首先，根据层压板对称均衡的要求，将基准堆栈和待分析堆栈的铺层数量各自减半；随后，将基准堆栈和待分析堆栈中相同的元素，按空间顺序依次取出，形成序列1；将待分析堆栈中特有的元素取出，形成序列2；将序列2进行全排列，而后将序列2的全排列结果依次与序列1进行交叉组合，组合过程中依然保持序列1元素原有的空间顺序；每次组合形成一个新的序列，即为可能的次厚层堆栈。