CN112507587A - 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 - Google Patents

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甘学东
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Abstract

本发明公开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，包括定义直线层和曲线层铺叠方式；创建复合材料平板的几何模型和材料模型，并形成有限元壳单元网格模型；基于中心点位置坐标、该单元对应不同曲线层的铺层角度T0和T1，以及不同曲线层的纤维路径，得到纤维铺放角并赋予平板上的每个单元，完成曲线层的建模；设置载荷和边界条件完成压缩稳定性有限元分析；以既有铺层为初始铺层，设计目标铺层格式，将单一层内铺层角度T0和T1作为设计变量，并根据工艺约束，对压缩稳定性分析结果进行迭代，得到当前设计工况下面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计铺层。该方法能实现变刚度复合材料结构的稳定性优化设计，有效提升压缩稳定性。

Description

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
技术领域
本发明属于航空复合材料结构技术领域，具体涉及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。
背景技术
复合材料由于其比强度与比刚度高、抗疲劳和耐腐蚀能力好等一系列特性在航空领域得到了广泛应用。现有复合材料设计方法中，复合材料单层的铺放角为一常量，工程实际中一般取为0°、±45°和90°，基于这种设计思路发展了一套成熟的常规复合材料结构优化设计方法。
为扩大复合材料的可设计空间，单层内纤维可采用曲线铺放，从而将原复合材料单层内固定的直线设计思路，提升为可按需进行自由曲线设计，从而增加了一个设计维度，可更高效的发挥复合材料结构可设计性优势。但现有的复合材料结构优化设计方法仅能针对单层层内铺叠角度为常数的直线铺层进行优化设计，即只对不同层的铺层角度进行优化，无法对单一层内进行铺层角度优化，进而无法实现对含曲线铺层的变刚度复合材料平板进行稳定性优化，阻碍了复合材料可设计性的高效发挥，影响了飞机结构性能的提升。
发明内容
鉴于现有技术的上述问题，本发明的目的是提出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，该方法能实现变刚度复合材料结构的稳定性优化设计，有效提升变刚度复合材料结构平板的压缩稳定性。
本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的：
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，所述方法包括以下步骤：
步骤1：定义直线层和曲线层的铺叠方式。
建立结构坐标系，以平板中心点为原点建立xoy直角坐标系，选取垂直于轴压载荷方向为x轴，平行于轴压载荷方向为y轴。
直线铺层以结构坐标系为基准，定义纤维方向与x轴的夹角即为铺层角，沿x轴方向铺层为0度层，沿y轴方向铺层为90度层。
曲线铺层的纤维铺放角是连续变化的，不能用单一角度描述。以结构坐标系为基准，定义板中心和边界处的曲线切向与x轴正方向的夹角分别为T0和T1。该曲线过原点并关于原点对称，与x轴正方向夹角的表达式为：
Figure BDA0002817374300000021
式中a为板x轴方向的长度。路径曲线可标记为<T0|T1>。通过沿y轴等距平移参考路径曲线的方式可以得到层合板其他位置的纤维路径。
参考路径曲线的斜率为：
Figure BDA0002817374300000022
将曲线与x轴夹角的表达式(1)代入式(2)，积分可得参考路径曲线的轨迹为：
Figure BDA0002817374300000031
步骤2：创建复合材料平板的几何模型和材料模型，确定种子尺寸并划分网格。
根据设计要求，在商业有限元软件中，创建复合材料平板的几何模型和材料模型，具体包括材料牌号及基本性能、平板长度、宽度、层数、单层厚度、初始铺层角度(T0和T1)等。
根据分析要求，复合材料平板采用壳单元建模，确定平板所需的网格尺寸，按网格尺寸划分四边形网格，形成有限元壳单元网格模型。
步骤3：完成复合材料平板曲线铺层建模。
基于生成的有限元网格模型文件，读取每个单元对应的节点编号和节点坐标。
通过每个单元的节点坐标，可计算出每个单元中心点的位置坐标。
将得到的每个单元中心点的位置坐标和该单元对应不同曲线层的铺层角度(T0和T1)代入式(1)，得到每个单元(中心点)不同曲线层的纤维铺放角。
将得到的每个单元不同曲线层的纤维铺放角，作为铺层角度值赋予平板上的每个单元，完成变刚度复合材料平板曲线层的建模。
步骤4：设置载荷和边界条件完成压缩稳定性有限元分析。
对于平板直线铺层，采用常规复合材料建模方式建模，可完成变刚度复合材料平板结构的有限元建模。随后可按常规复合材料结构的有限元分析方法设置载荷和边界条件，完成压缩稳定性有限元分析。
步骤5：设置设计变量、目标函数和优化算法，进行面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计。
以既有铺层为初始铺层，设计目标铺层格式，将单一层内铺层角度中的T0和T1作为设计变量，并根据工艺约束设置约束条件，将压缩稳定性分析结果作为目标函数，采用优化算法，进行迭代优化，得到最优目标函数时的各曲线铺层角度的T0和T1，从而可得当前设计工况下面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计铺层。
本发明的面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计方法在常规直线铺层复合材料结构优化设计方法基础上，将整个铺层离散成一定数量的四边形单元，每个单元代表的纤维走向为相互独立的直线角度，只要单元数目达到一定规模，即可拟合出整个平板上的曲线铺叠效果，从而实现对曲线铺层的走向模拟和稳定性分析。随后将单一层内铺层角度作为设计变量，将压缩稳定性分析结果作为目标函数，基于优化算法，迭代优化后得到最优目标函数时的各曲线铺层角度，实现面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计，最终大大提高了设计维度。
附图说明
图1是本发明方法中的铺叠坐标系定义示意图；
图2为本发明涉及的复合材料平板典型曲线铺层示意图；
图3为本发明涉及的复合材料平板典型曲线铺层有限元网格和纤维角度示意图。
具体实施方式
下面参考附图，结合具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明的面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计方法包括以下步骤：
步骤1：定义直线层和曲线层的铺叠方式。
如图1所示，建立结构坐标系xoy，选取垂直于轴压载荷方向为x轴，平行于轴压载荷方向为y轴。直线铺层以结构坐标系为基准，定义纤维方向与x轴的夹角即为铺层角，沿x轴方向铺层为0度层，沿y轴方向铺层为90度层。曲线铺层以结构坐标系为基准，定义板中心和边界处的曲线切向与x轴正方向的夹角分别为T0和T1，具体可见图1。
步骤2：创建复合材料平板的几何模型和材料模型，确定种子尺寸并划分网格。
根据设计要求，在商业有限元软件ABAQUS中，创建复合材料平板的几何模型和材料模型，复合材料牌号为T700/LT-03A，单层厚度0.125mm，平板尺寸为600mm×600mm，总厚度2mm，铺层总层数16层，初始铺层为[45/-45/(±<30|45>)3]S，其中直线层层数为4，曲线层层数为12。由此可知T0＝30和T1＝45，图2为复合材料平板典型曲线铺层<30|45>示意图。
根据分析要求，复合材料平板采用壳单元S4R建模，确定平板所需的网格尺寸为5mm×5mm，按网格尺寸划分四边形网格，形成有限元壳单元网格模型，可获得复合材料平板典型曲线铺层<30|45>的有限元网格，如图3所示。
步骤3：完成复合材料平板曲线铺层建模。
基于生成的有限元网格模型文件，读取每个单元对应的节点编号和节点坐标。
通过每个单元的节点坐标，可计算出每个单元中心点的位置坐标。
将得到的每个单元中心点的位置坐标和该单元对应不同曲线层的铺层角度(T0＝30和T1＝45)代入式(1)，得到每个单元(中心点)不同曲线层的纤维铺放角，可获得复合材料平板典型曲线铺层<30|45>各单元纤维角度情况，如图3所示。
将得到的每个单元不同曲线层的纤维铺放角，作为铺层角度值赋予平板上的每个单元，完成变刚度复合材料平板曲线层±<30|45>的建模。
步骤4：设置载荷和边界条件完成压缩稳定性有限元分析。
对于平板直线铺层45/-45，采用常规复合材料建模方式建模，可完成变刚度复合材料平板结构的有限元建模。随后可按常规复合材料结构的有限元分析方法设置载荷和边界条件，完成压缩稳定性有限元分析。
步骤5：设置设计变量、目标函数和优化算法，进行面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计。
以[45/-45/(±<30|45>)3]S为初始铺层，目标铺层格式设计为[45/-45/(±<T0|T1>)3]S，将单一层内铺层角度中的T0和T1作为设计变量，并根据工艺约束设置约束条件T0和T1为5的整数倍，T1-T0≤15，将压缩稳定性分析结果作为目标函数，选用优化软件Isight提供的多岛遗传算法，进行迭代优化，得到最优目标函数时的各曲线铺层角度的T0＝35和T1＝50，从而可得当前设计工况下面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计铺层为[45/-45/(±<35|50>)3]S。
本发明所述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，能实现变刚度复合材料结构的稳定性优化设计，有效提升变刚度复合材料结构平板的压缩稳定性。

Claims (8)

1.一种面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计方法，包括：
步骤1：定义直线层和曲线层的铺叠方式
以复合材料平板中心点为原点，垂直于轴压载荷方向为x轴，平行于轴压载荷方向为y轴建立xoy直角坐标系，
对于直线铺层，纤维方向与x轴的夹角为铺层角，
对于曲线铺层，定义过原点并关于原点中心对称的参考路径曲线，平板中心和边界处的曲线切向与x轴正方向的夹角分别为T0和T1，其中T0<T1，通过沿y轴等距平移参考路径曲线的方式得到层合板其他位置的纤维路径；
步骤2：创建复合材料平板的几何模型和材料模型，采用壳单元建模，确定复合材料平板所需的网格尺寸，按网格尺寸划分四边形网格，形成有限元壳单元网格模型；
步骤3：基于生成的有限元网格模型文件，计算每个单元中心点的位置坐标；基于每个单元中心点的位置坐标、该单元对应不同曲线层的铺层角度T0和T1，以及不同曲线层的纤维路径，得到每个单元中心点不同曲线层的纤维铺放角，并作为铺层角度值赋予平板上的每个单元，完成变刚度复合材料平板曲线层的建模；
步骤4：设置载荷和边界条件完成压缩稳定性有限元分析；
步骤5：以既有铺层为初始铺层，设计目标铺层格式，将单一层内铺层角度T0和T1作为设计变量，并根据工艺约束设置约束条件，将压缩稳定性分析结果作为目标函数，进行迭代优化，得到最优目标函数时的各曲线铺层角度T0和T1，从而得到当前设计工况下面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计铺层。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述复合材料平板的几何模型包括平板长度、宽度、层数、单层厚度、铺层角度T0和T1。
3.按照权利要求1所述的方法，其中所述复合材料平板的材料模型包括材料牌号及基本性能。
4.按照权利要求3所述的方法，其中通过根据使用温度要求确定树脂类型，根据力学性能要求、丝束铺叠粘性情况确定复合材料预浸料牌号。
5.按照权利要求2所述的方法，其中根据设计要求，获得复合材料平板长度和宽度尺寸，通过采用压缩稳定性分析方法估算平板的厚度，得到复合材料平板铺层层数。
6.按照权利要求1所述的方法，其中复合材料平板整体对称均衡。
7.按照权利要求1所述的方法，其中T1初始值为45°。
8.按照权利要求7所述的方法，其中T0初始值为20°～30°。
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