CN106570236A - 一种复合材料大深度耐压壳体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料大深度耐压壳体的制备方法，其特征在于，包括：构建复合材料耐压壳体的参数，该参数包括壳体厚度t、复合材料铺层层数n、不同铺层的铺设角θ、不同舱段连接处内径R₀、连接处长度l₀；建立复合材料耐压壳体的设计模型：根据上述设计模型确定复合材料耐压壳体的参数的最优范围值。本发明综合考虑复合材料各向异性，通过舱段间连接结构实现对壳体整体的加强，研究自适应模拟退火优化方法对复合材料壳体进行优化设计。

Description

一种复合材料大深度耐压壳体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料大深度耐压壳体的制备方法，属于航海工程领域。

背景技术

现有水下航行器壳体结构设计方法多针对金属材料，而复合材料凭借相对于金属材料具有质量轻、可设计性好等特点已普遍应用于航空航天等许多工程领域。

耐压性能是水下航行器壳体的一项重要的性能参数，直接决定了水下航行器的工作深度。传统的耐压壳体设计主要考虑使用金属材料加肋骨的形式，这种方式使水下航行器的重量增加，有效载荷减少。

在对复合材料耐压壳体进行设计时，要考虑不同舱段间的连接方式，同时还要兼顾壳体自身的承压能力。复合材料与金属材料不同，复合材料具有各向异性，通过控制复合材料不同铺层间的铺设方式，可以对某一方向上的强度进行加强。复合材料不同舱段之间进行连接时，会用到环形连接机构，这样，可以利用连接机构对壳体环向方向实现加强。复合材料铺层不同的铺设方法、舱段长度、壳体厚度、壳体直径成为影响复合材料耐压壳体强度的主要因素。国内外公开发表的耐压壳体设计方法大多从壳体材料、壳体厚度、环形肋骨截面形状、位置等角度出发，获得相对较好的承压结构；在复合材料耐压壳体方面，大多从复合材料铺设角、强化纤维生长方向等角度出发，获得理想的壳体形式。

发明内容

本发明的目的是以圆柱段壳体耐压强度提高与承压结构体积减少为优化目标的自适应模拟退火的方法，弥补现有设计方法的缺陷，提出一种基于自适应模拟退火的复合材料耐压壳体设计的优化设计方法，综合考虑复合材料各向异性，通过舱段间连接结构实现对壳体整体的加强，研究自适应模拟退火优化方法对复合材料壳体进行优化设计。

为了达到以上技术效果，本发明所采用的技术方案如下：

一种复合材料大深度耐压壳体的制备方法，包括：

构建复合材料耐压壳体的参数，该参数包括壳体厚度t、复合材料铺层层数n、不同铺层的铺设角θ、不同舱段连接处内径R₀、连接处长度l₀；

建立复合材料耐压壳体的设计模型：

V_avg＝g₁(t,l₀,R₀)

σ_max＝g₂(t,n,θ,l₀,R₀)

p_cr＝g₃(t,n,θ,l₀,R₀)

其中，V_avg表示舱段排水体积与承压结构体积之比，σ_max表示在外部压力作用下壳体受到的最大应力，p_cr表示舱段失稳的临界压力；

根据上述设计模型确定复合材料耐压壳体的参数的最优范围值。

在本发明的一个优选实施例中，确定复合材料耐压壳体的参数的最优范围值如下：

1)产生初始种群S₀，给出种群规模与遗传代数N，设定退火初始温度T以及退火时的温度下降因子μ；

2)计算种群中个体的适应度，对新产生的种群进行交叉变异等操作，优化目标为对于每一组输入变量t_i、n_i、θ_i、l_i、l_0i、R_0i，都可获得一组与之相对应的构建适应度函数种群中不同个体对应一系列的适应度，通过轮盘赌选择法，使适应度较高的个体更易被选择进入交配池；

3)计算遗传得到的子代种群中个体的适应度，选择前n个优势个体进行模拟退火操作，用退火后的优势个体替换种群中最劣势的n个优势个体；

4)若当前的种群代数未满足遗传代数要求，则根据温度下降因子μ降温，并返回步骤2)，否则跳出循环，输出当前种群中最优解。

在本发明的一个优选实施例中，所述壳体厚度t通过复合材料铺层层数n调整。

在本发明的一个优选实施例中，所述所有的铺设角θ中的一个或两个以上的铺设角θ与剩余铺设角θ的角度不同。

在本发明的一个优选实施例中，所述舱段的连接结构还用于加强结构强度的作用。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：

本发明综合考虑复合材料各向异性，通过舱段间连接结构实现对壳体整体的加强，研究自适应模拟退火优化方法对复合材料壳体进行优化设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是复合材料耐压壳体形状相关参数示意图；

图2是1-30层复合材料壳体铺层优化结果示意图。图中θ为铺层角，layer为铺层编号，编号为1的铺层在最内层，编号为30的铺层在最外层。Material为材料编号。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

(1)建立复合材料耐压壳体主要设计参数的数学模型

圆柱段复合材料壳体的壳体直径在设计之初已经确定，本发明中主要设计参数包括：壳体厚度t、复合材料铺层层数n、不同铺层的铺设角θ、不同舱段连接处内径R₀、连接处长度l₀共5个参数，其中壳体厚度t可以通过复合材料铺层层数n调整。

1)壳体所用复合材料的力学性能在设计之初确定，由于复合材料每层铺层的厚度相对固定，所以可通过调整复合材料铺层层数来对壳体厚度进行调整。在壳体直径已经确定的情况下，壳体厚度对壳体耐压强度影响最大。壳体厚度增加有利于壳体耐压强度的提高，但是壳体厚度的增加同时会导致重量增加、内部空间减小。在设计时应注意优化结果陷入壳体厚度过大的局部最优解的情况。

2)现有复合材料铺设自动化程度低，有时甚至要人工铺设，因此在对铺层铺设角进行设计时，应考虑设置几个固定的特殊角度作为铺设角。

3)舱段之间的连接结构一方面起连接作用，另一方面还起到传统耐压壳体结构中环形肋骨的作用。

(2)基于自适应模拟退火的优化方法

该算法的核心思想是：在获得初始种群的基础上，给定遗传进化代数，给定初始退火温度，确定温度下降因子等初始条件，通过适应度函数对种群中的个体通过诸如轮盘赌法、锦标赛法等选择策略进行选择，被选中的个体组成交配池，位于交配池中的个体通过遗传变异操作，产生子代种群。在产生的子代种群中选择优势个体进行模拟退火，完成样本种群的优胜劣汰。

模拟退火过程使得具有优秀基因的个体更为突出，避免整个种群早熟的同时，确保种群向适应度高的方向进化，算法的收敛性得到保障。只选择适应度高的个体进行退火，还可以加快收敛速度。

在对复合材料大深度耐压壳体设计时，以提高壳体耐压强度和减少耐压结构体积为目标。将结构设计中的5个几何参数与强度和稳定性分析有机结合，利用基于自适应模拟退火的多目标设计优化方法，对水下航行器圆柱舱段的复合材料耐压壳体进行了综合设计。

进一步的详细描述。

应先确定优化设计所需、优化过程中保持不变的量，对于本实例，取壳体外径D＝200mm、耐压舱段长度l＝400mm不变。复合材料铺层厚度在实际铺设过程中通常也为不变量，铺层厚度一般为0.1mm至几毫米不等，本实例取铺层厚度为0.3mm。

具体步骤如下：

(1)大深度复合材料耐压壳体优化设计模型

V_avg＝g₁(t,l₀,R₀)

σ_max＝g₂(t,n,θ,l₀,R₀)

p_cr＝g₃(t,n,θ,l₀,R₀)

其中，V_avg表示舱段排水体积与承压结构体积之比，σ_max表示在外部压力作用下壳体受到的最大应力，p_cr表示舱段失稳的临界压力，t为耐压壳体厚度，R₀为不同舱段连接处内径，l₀为不同舱段连接处长度，n为壳体复合材料铺层层数；θ为不同复合材料铺层的铺层角。

g₁表示V_avg与设计变量t、l₀、R₀的函数关系，g₂表示σ_max与设计变量t、n、θ、l₀、R₀的函数关系，g₃表示p_cr与设计变量t、n、θ、l₀、R₀的函数关系。

各个变量所确定的外形如图1。最后给各个变量赋以合适的取值范围。

(2)基于自适应模拟退火的优化方法具体步骤

1)产生初始种群S₀，给出种群规模与遗传代数N，设定退火初始温度T以及退火时的温度下降因子μ。

2)计算种群中个体的适应度，对新产生的种群进行交叉变异等操作。对于本例，优化目标为对于每一组输入变量t_i、n_i、θ_i、l_i、l_0i、R_0i，都可获得一组与之相对应的构建适应度函数种群中不同个体对应一系列的适应度，通过轮盘赌选择法，使适应度较高的个体更易被选择进入交配池。交配池中个体两两配对，与交叉算子与变异算子运算，产生子代个体。通过交叉运算，使种群中优势个体的特征得以延续；通过变异运算，使种群具有多样性，避免过早收敛，更易于获得全局最优解。

3)计算遗传得到的子代种群中个体的适应度，选择前n个优势个体进行模拟退火操作。用退火后的优势个体替换种群中最劣势的n个优势个体。

4)若当前的种群代数未满足遗传代数要求，则根据温度下降因子μ降温，并返回步骤2)，否则跳出循环，输出当前种群中最优解。

(3)优化结果

设定耐压壳体工作深度为1000m，即外部压力10MPa。

优化前耐压壳体厚度t＝10mm，耐压壳体舱段长度l＝400mm，不同舱段连接处内径R₀＝60mm，舱段连接处长度l₀＝30mm，铺层角θ统一取为0°；此时壳体所受最大应力σ_max＝357MPa，p_cr＝12.4MPa。

优化后耐压壳体厚度t＝9mm，耐压壳体舱段长度l＝400mm，不同舱段连接处内径R₀＝67mm，舱段连接处长度l₀＝30mm，每层铺层角θ优化结果见图2所示；此时壳体所受最大应力σ_max＝332MPa，p_cr＝12.1MPa。

图2为复合材料铺层优化结果，本实例所有铺层均为同一种材料(图中Material 1代表T300碳纤维铺层)，从图2可以看出，铺层1-铺层24相邻两铺层之间夹角为90°，铺层角±45°交错排列，铺层25-铺层30铺层角为90°。优化后的铺层方式反映了复合材料各向异性的特点。

对比优化前后结果：优化后壳体结构所受最大应力σ_max降低25MPa，临界失稳压力基本不变，壳体厚度t减小1mm，不同舱段连接处内径R₀增加7mm，舱段连接处长度l₀保持不变。对比发现，优化后壳体结构较优化前耐压性能改善，内部装载空间增加，结构重量减轻。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种复合材料大深度耐压壳体的制备方法，其特征在于，包括：

构建复合材料耐压壳体的参数，该参数包括壳体厚度t、复合材料铺层层数n、不同铺层的铺设角θ、不同舱段连接处内径R₀、连接处长度l₀；

建立复合材料耐压壳体的设计模型：

$f\left(T\right)=min\{{\mathrm{\σ}}_{max},p_{cr}^{-1},V_{avg}^{-1}\}$

V_avg＝g₁(t,l₀,R₀)

σ_max＝g₂(t,n,θ,l₀,R₀)

p_cr＝g₃(t,n,θ,l₀,R₀)

其中，V_avg表示舱段排水体积与承压结构体积之比，σ_max表示在外部压力作用下壳体受到的最大应力，p_cr表示舱段失稳的临界压力；

根据上述设计模型确定复合材料耐压壳体的参数的最优范围值。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料大深度耐压壳体的制备方法，其特征在于，确定复合材料耐压壳体的参数的最优范围值如下：

1)产生初始种群S₀，给出种群规模与遗传代数N，设定退火初始温度T以及退火时的温度下降因子μ；

2)计算种群中个体的适应度，对新产生的种群进行交叉变异等操作，优化目标为对于每一组输入变量t_i、n_i、θ_i、l_i、l_0i、R_0i，都可获得一组与之相对应的构建适应度函数种群中不同个体对应一系列的适应度，通过轮盘赌选择法，使适应度较高的个体更易被选择进入交配池；

3)计算遗传得到的子代种群中个体的适应度，选择前n个优势个体进行模拟退火操作，用退火后的优势个体替换种群中最劣势的n个优势个体；

4)若当前的种群代数未满足遗传代数要求，则根据温度下降因子μ降温，并返回步骤2)，否则跳出循环，输出当前种群中最优解。

3.根据权利要求1或2所述的一种复合材料大深度耐压壳体的制备方法，其特征在于，所述壳体厚度t通过复合材料铺层层数n调整。

4.根据权利要求3所述的一种复合材料大深度耐压壳体的制备方法，其特征在于，所述所有的铺设角θ中的一个或两个以上的铺设角θ与剩余铺设角θ的角度不同。

5.根据权利要求3所述的一种复合材料大深度耐压壳体的制备方法，其特征在于，所述舱段的连接结构还用于加强结构强度的作用。