CN111177909A - 一种复合材料层合板铺层优化设计方法 - Google Patents

一种复合材料层合板铺层优化设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111177909A
CN111177909A CN201911335067.XA CN201911335067A CN111177909A CN 111177909 A CN111177909 A CN 111177909A CN 201911335067 A CN201911335067 A CN 201911335067A CN 111177909 A CN111177909 A CN 111177909A
Authority
CN
China
Prior art keywords
matrix
weight
determining
vector
objective
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911335067.XA
Other languages
English (en)
Inventor
孔永华
周衡
单立军
陆云韬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Donghua University
National Dong Hwa University
Original Assignee
Donghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Donghua University filed Critical Donghua University
Priority to CN201911335067.XA priority Critical patent/CN111177909A/zh
Publication of CN111177909A publication Critical patent/CN111177909A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明涉及一种复合材料层合板铺层多目标优化设计方法，具体包括以下步骤：根据层合板工况，确定目标函数及约束；确定铺层数区间，将铺层数作为因素；选取铺层角度作为水平并按规则排序，选取因素的相邻三水平构建正交表；按正交表方案设计进行模拟，并提取结果文件中评价指标；运用惩罚函数法修正目标响应值；运用归一化方法处理修正值得到决策矩阵；运用层次分析法和熵权法确定各指标主观及客观权重；将主或客或组合权重与决策矩阵组合得到新决策矩阵；运用逼近最理想解排序法得到最优组合；将最优组合的水平作为基准构建正交表，继续迭代直至满足条件。本发明能处理复合材料铺层数变化的问题，迭代次数少。

Description

一种复合材料层合板铺层优化设计方法
技术领域
本发明涉及复合材料零部件设计领域，特别是涉及一种复合材料层合板铺层多目标优化设计方法。
背景技术
复合材料层合板以密度小，比强度、比刚度高及力学性能的可设计性等特点，广泛应用于航空航天、船舶、汽车等领域。层合板的力学性能与铺层厚度及各铺层的角度密切的关系，因此优化铺层厚度及铺层角度是改善层合板力学性能的两个重要方式，且层合板往往在多种工况下承受多种载荷，属于多目标优化问题。然而，现有的针对复合材料层合板的多目标优化方法如遗传算法、粒子群算法等，是将铺层厚度或铺层角度作为单独的设计变量进行优化设计，且把铺层角度作为设计变量，铺层厚度设置为固定值的优化方法居多，鲜有同时考虑铺层厚度及铺层角度为变量的方法。同时，现有方法无法充分加入设计人员的经验改变目标函数的权重，以达到特定的优化目的。
发明内容
本发明的目的是：能处理复合材料铺层数变化的问题，兼顾设计人员的经验及客观数据，同时迭代次数少，能获得较好的优化解。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种复合材料层合板铺层优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据层合板工况，确定目标函数及约束条件；
步骤2、确定铺层数区间，将铺层数作为因素，选取铺层角度作为水平并按规则排序，选取因素相邻三水平构建正交表；复合材料层合板的铺层数载区间内可以进行改变，即因素数是变化的，三水平正交表的因素数为2～13个，且层合板一般为对称布置，则铺层数可在4～26层之间变化。将因素的水平按数值大或小排序，在因素数确定的情况下，正交表不变，而让水平向左或向右迭代。
步骤3、按照正交表方案设计进行模拟计算，并提取结果文件中评价指标；
步骤4、运用动态自适应惩罚函数对目标函数进行修正，获得修正目标响应值，包括以下步骤：计算各约束条件的违反约束度的大小及其所占比例；给定初始惩罚因子；确定罚值的大小；计算修正目标响应值；
步骤5、运用归一化方法处理步骤4得到的修正目标响应值得到决策矩阵；
步骤6、运用层次分析法和熵权法分别确定各指标主观及客观权重，其中，运用层次分析法确定各指标主观及客观权重包括以下步骤：
构建判断矩阵bij，i表示矩阵第i行的元素或向量的第i个元素，j表示矩阵第j列的元素或向量的第j个元素，计算判断矩阵bij每一行元素的乘积Mi，计算Mi的n次方根Vi，计算权重向量Wi，如下式(4)至式(6)所示：
Figure RE-GDA0002404546810000021
Figure RE-GDA0002404546810000022
Figure RE-GDA0002404546810000023
运用熵权法确定各指标主观及客观权重包括以下步骤：
确定每个相应的几何射影Pij后计算熵值Ej及客观权重ωj，如下式(7)至式(9)所示：
Figure RE-GDA0002404546810000024
Figure RE-GDA0002404546810000025
Figure RE-GDA0002404546810000026
层次分析法和熵权法计算的权重分开计算可以通过客观数据进行复合层合板结构的优化设计，组合运算可以在优化过程中充分考虑设计人员的设计经验以及实验或模拟仿真所得到的客观数据的分布情况。
步骤7、将主观权重或客观权重或主观权重与客观权重的组合权重与决策矩阵组合得到新决策矩阵Vij；
步骤8、运用逼近最理想解排序法得到最优组合；
步骤9、将最优组合的水平作为基准构建正交表，继续迭代直至满足条件。
优选地，步骤4依据下式(1)：
Figure RE-GDA0002404546810000031
式(1)中，F(x)为目标函数修正值，f(x)为目标函数值，Rk,j为动态惩罚因子，gj(x)为违反约束度，k为矩阵第k行的元素或向量的第k个元素，j表示矩阵第j列的元素或向量的第j个元素。
优选地，步骤5中，运用max-min归一化方法对修正目标响应值进行无量纲化处理，如下式(2)、(3)所示：
Figure RE-GDA0002404546810000032
Figure RE-GDA0002404546810000033
式(2)、(3)中，rij为归一化后的响应值Fij为目标函数修正值，i表示矩阵第i行的元素，j表示矩阵第j列的元素，式(2)、(3)分别为效益型和成本型指标的归一化公式。
优选地，步骤8包括以下步骤：
确定正负理想解V+、V-；分别计算第i个方案与正负理想解的距离
Figure RE-GDA0002404546810000034
计算方案与理想解的贴进度Ci，并按照贴进度进行排序得到最优解，如下式(10) 至所示：
Figure RE-GDA0002404546810000035
Figure RE-GDA0002404546810000036
Figure RE-GDA0002404546810000041
式(10)中，Vin为方案的指标值，maxVin为指标的理想解，minVin为指标的负理想解，i表示为矩阵的第i行元素或向量的第i个元素，n表示矩阵的第n列元素或是向量的第n个元素，j表示矩阵第j列的元素或是向量的第j个元素。
由于采用了上述的优化设计方法，本发明与现有优化设计方法相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明通过调用不同的三水平正交试验表，可以在一定区间改变复合材料层合板的铺层数量，继而改变铺层厚度；可对层合板的铺层数和铺层角度同时进行优化设计。
本发明通过运用自适应惩罚函数调整迭代过程中罚值的大小，可以充分利用非可行解，更加准确的寻求到优化解。
本发明通过层次分析法和熵权法求解权重，能够在优化设计过程中充分考虑设计人员的设计经验以及实验或模拟仿真所得到的客观数据的分布情况，设计结果更符合实际。
附图说明
图1为复合材料层合板铺层示意图；
图2为复合材料机翼有限元模型图；
图3为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种织复合材料层合板铺层多目标优化设计方法；图 1所示为复合材料层合板铺层示意图，红色为0°，绿色为45°，蓝色为90°，黄色为-45°；图2为复合材料机翼有限元模型图；图3为优化设计流程图；方法具体包括以下步骤：
步骤1：根据层合板工况，确定目标函数、约束条件及铺层数区间，即定义多目标优化问题及设计变量的数量区间。
步骤2：根据设计变量的个数区间构建多个三水平正交试验表，并将水平排序，如表1、2所示。
Figure RE-GDA0002404546810000051
表1
Figure RE-GDA0002404546810000052
表2
步骤3：根据确定的铺层数选择正交表，并修改设计变量的铺层角度，进行模拟计算，提取结果文件中评价指标；
步骤4：运用动态自适应惩罚函数对目标函数进行修正，获得修正目标响应值；
Figure RE-GDA0002404546810000053
式(1)中，Rk,j为动态惩罚因子，p为初始惩罚因子，gj(x)为违反约束度， f(x)为目标函数值，F(x)为目标函数修正值，k为矩阵第k行的元素或向量的第k个元素，j表示矩阵第j列的元素或向量的第j个元素。
步骤5：运用max-min归一化方法对目标函数进行无量纲化处理；
Figure RE-GDA0002404546810000061
Figure RE-GDA0002404546810000062
式(3)、(4)中rij为归一化后的响应值，Fij为目标函数修正值，i表示矩阵第i行的元素，j表示矩阵第j列的元素，式(2)、(3)分别为效益型和成本型指标的归一化公式。
步骤6：运用层次分析法确定各指标主观权重；
首先构建判断矩阵bij，i表示矩阵第i行的元素或向量的第i个元素，j表示矩阵第j列的元素或向量的第j个元素，随后计算判断矩阵bij每一行元素的乘积 Mi，再计算Mi的n次方根Vi，计算权重向量Wi。
Figure RE-GDA0002404546810000063
Figure RE-GDA0002404546810000064
Figure RE-GDA0002404546810000065
权重向量Wi中元素为各指标的权重系数。
步骤7：运用熵权法确定各指标客观权重；
首先确定每个相应的几何射影Pij，随后计算熵值Ej，再计算客观权重ωj。
Figure RE-GDA0002404546810000066
Figure RE-GDA0002404546810000067
Figure RE-GDA0002404546810000068
步骤8：将主观权重或客观权重或主观权重与客观权重的组合权重与决策矩阵组合得到新决策矩阵Vij：
Vij＝ωjrij (10)
步骤9：计算运用TOPSIS法确定最优组合；
确定正负理想解V+、V-；分别计算第i个方案与正负理想解的距离
Figure RE-GDA0002404546810000071
计算方案与理想解的贴进度Ci，并按照贴进度进行排序得到最优解。
Figure RE-GDA0002404546810000072
Figure RE-GDA0002404546810000073
Figure RE-GDA0002404546810000074
步骤10：判断此次最优组合是否满足条件。若满足，则将其作为最优解；若不满足，则继续进行下一步迭代，重复步骤2。

Claims (4)

1.一种复合材料层合板铺层优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据层合板工况，确定目标函数及约束条件；
步骤2、确定铺层数区间，将铺层数作为因素，选取铺层角度作为水平并按规则排序，选取因素相邻三水平构建正交表；
步骤3、按照正交表方案设计进行模拟计算，并提取结果文件中评价指标；
步骤4、运用动态自适应惩罚函数对目标函数进行修正，获得修正目标响应值，包括以下步骤：计算各约束条件的违反约束度的大小及其所占比例；给定初始惩罚因子；确定罚值的大小；计算修正目标响应值；
步骤5、运用归一化方法处理步骤4得到的修正目标响应值得到决策矩阵；
步骤6、运用层次分析法和熵权法分别确定各指标主观及客观权重，其中，运用层次分析法确定各指标主观及客观权重包括以下步骤：
构建判断矩阵bij，i表示矩阵第i行的元素或向量的第i个元素，j表示矩阵第j列的元素或向量的第j个元素，计算判断矩阵bij每一行元素的乘积Mi，计算Mi的n次方根Vi，计算权重向量Wi，如下式(4)至式(6)所示：
Figure FDA0002330722980000011
Figure FDA0002330722980000012
Wi＝Vi/∑Vi (6)
运用熵权法确定各指标主观及客观权重包括以下步骤：
确定每个相应的几何射影Pij后计算熵值Ej及客观权重ωj，如下式(7)至式(9)所示：
Figure FDA0002330722980000013
Figure FDA0002330722980000014
Figure FDA0002330722980000021
步骤7、将主观权重或客观权重或主观权重与客观权重的组合权重与决策矩阵组合得到新决策矩阵Vij；
步骤8、运用逼近最理想解排序法得到最优组合；
步骤9、将最优组合的水平作为基准构建正交表，继续迭代直至满足条件。
2.如权利要求1所述的一种复合材料层合板铺层优化设计方法，其特征在于，步骤4依据下式(1)：
Figure FDA0002330722980000022
式(1)中，F(x)为目标函数修正值，f(x)为目标函数值，Rk,j为动态惩罚因子，gj(x)为违反约束度，k为矩阵第k行的元素或向量的第k个元素，j表示矩阵第j列的元素或向量的第j个元素。
3.如权利要求1所述的一种复合材料层合板铺层优化设计方法，其特征在于，步骤5中，运用max-min归一化方法对修正目标响应值进行无量纲化处理，如下式(2)、(3)所示：
Figure FDA0002330722980000023
Figure FDA0002330722980000024
式(2)、(3)中，rij为归一化后的响应值，Fij为目标函数修正值，i表示矩阵第i行的元素，j表示矩阵第j列的元素，式(2)、(3)分别为效益型和成本型指标的归一化公式。
4.如权利要求1所述的一种复合材料层合板铺层优化设计方法，其特征在于，步骤8包括以下步骤：
确定正负理想解V+、V-；分别计算第i个方案与正负理想解的距离
Figure FDA0002330722980000025
计算方案与理想解的贴进度Ci，并按照贴进度进行排序得到最优解，如下式(10)至所示：
Figure FDA0002330722980000031
Figure FDA0002330722980000032
Figure FDA0002330722980000033
式(10)中，Vin为方案的指标值，max Vin为指标的理想解，min Vin为指标的负理想解，i表示为矩阵的第i行元素或向量的第i个元素，n表示矩阵的第n列元素或是向量的第n个元素，j表示矩阵第j列的元素或是向量的第j个元素。
CN201911335067.XA 2019-12-23 2019-12-23 一种复合材料层合板铺层优化设计方法 Pending CN111177909A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911335067.XA CN111177909A (zh) 2019-12-23 2019-12-23 一种复合材料层合板铺层优化设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911335067.XA CN111177909A (zh) 2019-12-23 2019-12-23 一种复合材料层合板铺层优化设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111177909A true CN111177909A (zh) 2020-05-19

Family

ID=70655585

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911335067.XA Pending CN111177909A (zh) 2019-12-23 2019-12-23 一种复合材料层合板铺层优化设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111177909A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117352111A (zh) * 2023-12-06 2024-01-05 城资泰诺(山东)新材料科技有限公司 一种复合材料铺层设计优化方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1868807A (zh) * 2005-05-23 2006-11-29 北京航空航天大学 按照刚度要求复合材料的铺层设计计算方法
CN103218500A (zh) * 2013-05-13 2013-07-24 湖南大学 一种基于多目标连续正交方法的稳健性汽车车身材料匹配方法
KR20130124691A (ko) * 2012-05-07 2013-11-15 서울과학기술대학교 산학협력단 홍수 취약성 평가를 위한 퍼지 탑시스 접근방법
CN103399755A (zh) * 2013-08-19 2013-11-20 中航沈飞民用飞机有限责任公司 复合材料等厚度层压板铺层优化方法
CN109377117A (zh) * 2018-12-21 2019-02-22 中国水利水电科学研究院 一种基于改进topsis法的应急预案评价方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1868807A (zh) * 2005-05-23 2006-11-29 北京航空航天大学 按照刚度要求复合材料的铺层设计计算方法
KR20130124691A (ko) * 2012-05-07 2013-11-15 서울과학기술대학교 산학협력단 홍수 취약성 평가를 위한 퍼지 탑시스 접근방법
CN103218500A (zh) * 2013-05-13 2013-07-24 湖南大学 一种基于多目标连续正交方法的稳健性汽车车身材料匹配方法
CN103399755A (zh) * 2013-08-19 2013-11-20 中航沈飞民用飞机有限责任公司 复合材料等厚度层压板铺层优化方法
CN109377117A (zh) * 2018-12-21 2019-02-22 中国水利水电科学研究院 一种基于改进topsis法的应急预案评价方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
修英姝等: "复合材料层合板稳定性的铺层优化设计", 《工程力学》 *
朱孙科等: "多管火箭炮定向管的多目标优化及多属性决策研究", 《兵工学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117352111A (zh) * 2023-12-06 2024-01-05 城资泰诺(山东)新材料科技有限公司 一种复合材料铺层设计优化方法及系统
CN117352111B (zh) * 2023-12-06 2024-03-08 城资泰诺(山东)新材料科技有限公司 一种复合材料铺层设计优化方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106126791B (zh) 一种考虑几何不确定性的高超声速机翼气动力/热分析方法
CN106874573A (zh) 一种分区变厚度复合材料层合板的设计方法
CN103034766B (zh) 一种确定层合板复合材料的铺层角方向与厚度的方法
CN109657313A (zh) 基于改进层次分析法的导弹性能评估方法
CN111191401B (zh) 高超声速飞行器气动/控制/结构多学科协同优化方法
CN111784114A (zh) 一种客户侧分布式储能系统运行性能评估方法及系统
CN105046021B (zh) 非定常气动力最小状态有理近似的非线性优化算法
CN108647869A (zh) 工程评估方法和装置
CN114186862B (zh) 基于熵权topsis模型的双层能源绩效评估系统
CN111177909A (zh) 一种复合材料层合板铺层优化设计方法
CN113103535A (zh) 一种基于ga-elm-ga的注塑件模具参数优化方法
CN112507587A (zh) 一种面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计方法
CN109491709A (zh) 一种基于ahp与神经网络的软件代码可控度综合评价方法
CN114971398A (zh) 基于多层级模糊技术的外送新能源消纳受阻程度评估方法
CN113468824A (zh) 计算叶轮机械叶片的损失系数的模型训练方法及计算方法
US20220156440A1 (en) Composite material design device, composite material design method, and composite material design program using genetic algorithm
CN109583090A (zh) 一种复合材料结构的铺层优化方法
CN110990958B (zh) 一种方程式赛车的气动套件装置及其高效优化设计方法
CN107844651A (zh) 大跨度桥梁风险评估中风险指标权重的概率计算方法
CN108520087B (zh) 一种机械结构异类多目标性能的稳健性度量与均衡优化设计方法
CN116258234A (zh) 一种基于bp神经网络模型的能源企业碳排测算与预测方法
CN106446371A (zh) 一种基于Delaunay三角形划分和逼近理想解排序的序贯采样方法
CN105046594A (zh) 一种用户能源综合效益评价的平衡计分卡方法
CN110852609A (zh) 供冷供热技术区域综合适宜性评价方法与系统
Chen et al. Aerodynamic optimization for a high-lift airfoil/wing configuration

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200519

RJ01 Rejection of invention patent application after publication