CN113361175A - 一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，属于陶瓷基复合材料结构设计技术领域。采用ABAQUS有限元软件建立陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型，实现了连接结构最大失效载荷的理论预测。基于拉丁抽样技术及响应面法建立了陶瓷基复合材料多钉连接结构优化目标函数，并采用模拟退火优化算法给出了连接结构装配及结构参数的优化设计方案，从优化设计的角度实现了陶瓷基复合材料多钉连接结构最大失效载荷的优化设计，摆脱了昂贵的试验设备及复杂的试验环节的制约，且该方法具有一定的通用性，具有良好的实际应用潜力，可以推广应用于航空航天、军事国防、能源化工等诸多技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，属于陶瓷基复合材料结构设计技术领域。
背景技术
随着高性能航空发动机推重比的不断提升，未来发动机的进气口燃烧温度可能高于现有高温合金的熔点，甚至远远超过2000K。所以，对于可以在高温极端环境下服役的先进复合材料的需求正在快速的增长，尤其在高超声速飞行器领域，这种需要尤为迫切。陶瓷基复合材料(CMCs)由于其兼具低密度、高强度、耐磨性、抗氧化性、抗热震性、耐腐蚀性等多种功能，在极端条件工程领域受到广泛的关注和应用。由于制造大尺寸且结构复杂的C/SiC复合材料结构十分困难且造价高昂，因此具有可重复拆卸、高载荷传递能力、高可靠性、高性价比等特点的连接结构，在航空航天飞行器尤其是高超声速飞行器中得到广泛应用。作为复合材料整体结构的薄弱点，连接的优劣情况将会对其服役结构的安全性与使用寿命造成直接的影响。据统计，60％-80％的飞行器结构破坏都是由于连接部位失效[15]，这种情况在复合材料连接结构中更为明显。因此，螺栓连接件的强度分析与结构设计对提高结构承载效率及维护结构完整性起着至关重要的作用。目前，现有的文献多集中于对复合材料多钉连接结构进行单参数化设计，即保持其他参数不变只改变其中一个参数，最后获得单因素设计后的组合设计结果。该方法优化效率差，且结构设计结果的可靠性需要辅助试验结果进行检验，因此复合材料多钉连接结构的合理设计对航空航天热结构工程化应用具有重要的意义。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，旨在提高连接结构的承载效率，降低试验成本，节约资源与能源，以便于指导实际生产过程中陶瓷基复合材料连接结构的装配及工程应用。
一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、给定陶瓷基复合材料多钉连接结构的装配间隙、预紧力、钉间距及钉边距的设计参数范围；
步骤二、对给定的陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量范围，采用拉丁超立方抽样技术生成N组设计变量组；
步骤三、选定其中一组设计变量矢量，采用ABAQUS软件建立单轴拉伸条件下陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型，获得所述变量组对应的连接结构最大失效载荷；
步骤四、更换陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量组，重复步骤三，获得N组设计变量组及其对应的结构最大失效载荷样本数据；
步骤五、根据最小二乘法则建立陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量与失效载荷的多项式响应面，并将该函数作为连接结构优化设计的目标函数；
步骤六、采用模拟退火优化算法对陶瓷基复合材料多钉连接结构进行迭代寻优，直至满足优化算法收敛准则；
步骤七、获得陶瓷基复合材料多钉连接结构钉孔装配间隙、预紧力、钉边距及钉间距的优化设计结果及其给定设计变量范围内的最大失效载荷，完成陶瓷基复合材料多钉连接结构优化设计。
进一步的，步骤三中采用ABAQUS软件建立单轴拉伸条件下陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型的步骤为：
步骤三一、采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料多钉连接结构三维几何模型，采用八结点线性缩减积分六面体单元C3D8R并设置增强的沙漏控制对结构进行结构化网格划分；
步骤三二、根据高温合金板、复合材料板、螺栓之间的接触关系，在ABAQUS中定义接触对，并设置各接触面间摩擦系数；使用ABAQUS中的Bolt load命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力，通过设置钉孔之间接触对的装配值施加钉孔间隙量；
步骤三三、对陶瓷基复合材料板的一端所有方向施加固支约束，另一端端部的轴向施加位移载荷，并约束另两个方向的位移；
步骤三四、采用Fortran语言将陶瓷基复合材料非线性本构模型、失效准则及材料退化模型编写成用户子程序UMAT文件，并嵌入到ABAQUS有限元软件中进行结构应力计算；
步骤三五、将应力计算结果代入Tsai-Wu或者Hashin失效准则中判断C/SiC复合材料单元点的失效，若发生失效则根据退化准则进行材料刚度退化，若没有发生失效则增大拉伸载荷增量；
步骤三六、重复步骤三四至步骤三五，直到陶瓷基复合材料多钉连接结构发生最终破坏为止，获得陶瓷基复合材料多钉连接结构最大失效载荷及相关失效模式。
进一步的，所述步骤六中采用模拟退火优化算法进行迭代寻优的实现过程为：
步骤六一、确定结构优化变量变化范围，确定初始点X0，设定模拟退火优化算法初始温度、内外层循环步数和收敛准则，计算相应的初始目标函数值E(X0)；
步骤六二、对初始点X0根据一定的扰动模型产生一个新点X，计算相应的目标函数值E(X)，得到Δ＝E(X)-E(X0)；
步骤六三、若小于0，则新点X被接受，否则新点X按概率P＝exp(-ΔE/T)接受，当模型被接受时，置X0＝X，E(X)＝E(X0)；
步骤六四、在温度T，按内层循环次数，重复步骤六二至步骤六三；
步骤六五、采用退火法则Tn＝αTn-1降低温度T，其中，α为退火率；
步骤六六、重复步骤六二到步骤六五直到收敛条件满足为止。
进一步的，在步骤一中，连接结构螺钉数量为双钉或者三钉单剪连接结构。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，与现有的陶瓷基复合材料多钉连接结构优化设计与实验方法相比较，该预测方法准确、高效，能够显著节省试验耗时及成本，摆脱昂贵的试验设备及复杂的试验环节的制约，且该方法具有一定的通用性，本发明高超声速飞行器陶瓷基复合材料机械连接结构的结构设计及强度预测提供重要的技术支持。
附图说明
图1为陶瓷基复合材料双钉连接结构整体示意图；
图2为陶瓷基复合材料三钉连接结构整体示意图；
图3为陶瓷基复合材料多钉连接结构渐进损伤分析流程图；
图4为连接结构模拟退火优化算法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明解决上述技术问题，本发明提供一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，本发明提供以下技术方案：
一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、给定陶瓷基复合材料多钉连接结构的装配间隙、预紧力、钉间距及钉边距等设计参数范围；
步骤二、对给定的陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量范围，采用拉丁超立方抽样技术生成N组设计变量组；
步骤三、选定其中一组设计变量矢量，采用ABAQUS软件建立单轴拉伸条件下陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型，获得所述变量组对应的连接结构最大失效载荷；
步骤四、更换陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量组，重复步骤三，获得N组设计变量组及其对应的结构最大失效载荷样本数据；
步骤五、根据最小二乘法则建立陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量与失效载荷的多项式响应面，并将该函数作为连接结构优化设计的目标函数；
步骤六、采用模拟退火优化算法对陶瓷基复合材料多钉连接结构进行迭代寻优，直至满足优化算法收敛准则；
步骤七、获得陶瓷基复合材料多钉连接结构钉孔装配间隙、预紧力、钉边距及钉间距等参数的优化设计结果及其给定设计变量范围内的最大失效载荷，完成陶瓷基复合材料多钉连接结构优化设计。
进一步的，步骤三中采用ABAQUS软件建立单轴拉伸条件下陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型的步骤为：
步骤三一、采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料多钉连接结构三维几何模型，采用八结点线性缩减积分六面体单元C3D8R并设置增强的沙漏控制对结构进行结构化网格划分；
步骤三二、根据高温合金板、复合材料板、螺栓之间的接触关系，在ABAQUS中定义接触对，并设置各接触面间摩擦系数；使用ABAQUS中的Bolt load命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力，通过设置钉孔之间接触对的装配值施加钉孔间隙量；
步骤三三、对陶瓷基复合材料板的一端所有方向施加固支约束，另一端端部的轴向施加位移载荷，并约束另两个方向(一般指轴向拉伸方向之外相垂直的两个方向)的位移；
步骤三四、采用Fortran语言将陶瓷基复合材料非线性本构模型、失效准则及材料退化模型编写成用户子程序UMAT文件，并嵌入到ABAQUS有限元软件中进行结构应力计算；
步骤三五、将应力计算结果代入Tsai-Wu或者Hashin失效准则中判断C/SiC复合材料单元点的失效，若发生失效则根据退化准则进行材料刚度退化，若没有发生失效则增大拉伸载荷增量；
步骤三六、重复步骤三四至步骤三五，直到陶瓷基复合材料多钉连接结构发生最终破坏为止，获得陶瓷基复合材料多钉连接结构最大失效载荷及相关失效模式。
进一步的，所述步骤六中采用模拟退火优化算法进行迭代寻优的实现过程为：
步骤六一、确定结构优化变量变化范围，确定初始点X0，设定模拟退火优化算法初始温度、内外层循环步数和收敛准则等优化过程控制参数，计算相应的初始目标函数值E(X0)；
步骤六二、对初始点X0根据一定的扰动模型产生一个新点X，计算相应的目标函数值E(X)，得到Δ＝E(X)-E(X0)；
步骤六三、若小于0，则新点X被接受，否则新点X按概率P＝exp(-ΔE/T)接受，当模型被接受时，置X0＝X，E(X)＝E(X0)；
步骤六四、在温度T，按内层循环次数，重复步骤六二至步骤六三；
步骤六五、采用退火法则Tn＝αTn-1降低温度T，其中，α为退火率；
步骤六六、重复步骤六二到步骤六五直到收敛条件满足为止。
进一步的，在步骤一中，连接结构螺钉数量为双钉或者三钉单剪连接结构。
本发明采用ABAQUS有限元软件建立陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型，实现了连接结构最大失效载荷的理论预测。基于拉丁抽样技术及响应面法建立了陶瓷基复合材料多钉连接结构优化目标函数，并采用模拟退火优化算法给出了连接结构装配及结构参数的优化设计方案，从优化设计的角度实现了陶瓷基复合材料多钉连接结构最大失效载荷的优化设计，摆脱了昂贵的试验设备及复杂的试验环节的制约，且该方法具有一定的通用性，具有良好的实际应用潜力，可以推广应用于航空航天、军事国防、能源化工等诸多技术领域。
以上所述仅是一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法的优选实施方式，一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些变化、修改、替换和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、给定陶瓷基复合材料多钉连接结构的装配间隙、预紧力、钉间距及钉边距的设计参数范围；
步骤二、对给定的陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量范围，采用拉丁超立方抽样技术生成N组设计变量组；
步骤三、选定其中一组设计变量矢量，采用ABAQUS软件建立单轴拉伸条件下陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型，获得所述变量组对应的连接结构最大失效载荷；
步骤四、更换陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量组，重复步骤三，获得N组设计变量组及其对应的结构最大失效载荷样本数据；
步骤五、根据最小二乘法则建立陶瓷基复合材料多钉连接结构设计变量与失效载荷的多项式响应面，并将该函数作为连接结构优化设计的目标函数；
步骤六、采用模拟退火优化算法对陶瓷基复合材料多钉连接结构进行迭代寻优，直至满足优化算法收敛准则；
步骤七、获得陶瓷基复合材料多钉连接结构钉孔装配间隙、预紧力、钉边距及钉间距的优化设计结果及其给定设计变量范围内的最大失效载荷，完成陶瓷基复合材料多钉连接结构优化设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，其特征在于，步骤三中采用ABAQUS软件建立单轴拉伸条件下陶瓷基复合材料多钉连接结构的渐进损伤分析模型的步骤为：
步骤三一、采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料多钉连接结构三维几何模型，采用八结点线性缩减积分六面体单元C3D8R并设置增强的沙漏控制对结构进行结构化网格划分；
步骤三二、根据高温合金板、复合材料板、螺栓之间的接触关系，在ABAQUS中定义接触对，并设置各接触面间摩擦系数；使用ABAQUS中的Bolt load命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力，通过设置钉孔之间接触对的装配值施加钉孔间隙量；
步骤三三、对陶瓷基复合材料板的一端所有方向施加固支约束，另一端端部的轴向施加位移载荷，并约束另两个方向的位移；
步骤三四、采用Fortran语言将陶瓷基复合材料非线性本构模型、失效准则及材料退化模型编写成用户子程序UMAT文件，并嵌入到ABAQUS有限元软件中进行结构应力计算；
步骤三五、将应力计算结果代入Tsai-Wu或者Hashin失效准则中判断C/SiC复合材料单元点的失效，若发生失效则根据退化准则进行材料刚度退化，若没有发生失效则增大拉伸载荷增量；
步骤三六、重复步骤三四至步骤三五，直到陶瓷基复合材料多钉连接结构发生最终破坏为止，获得陶瓷基复合材料多钉连接结构最大失效载荷及相关失效模式。
3.根据权利要求1所述的一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤六中采用模拟退火优化算法进行迭代寻优的实现过程为：
步骤六一、确定结构优化变量变化范围，确定初始点X0，设定模拟退火优化算法初始温度、内外层循环步数和收敛准则，计算相应的初始目标函数值E(X0)；
步骤六二、对初始点X0根据一定的扰动模型产生一个新点X，计算相应的目标函数值E(X)，得到Δ＝E(X)-E(X0)；
步骤六三、若小于0，则新点X被接受，否则新点X按概率P＝exp(-ΔE/T)接受，当模型被接受时，置X0＝X，E(X)＝E(X0)；
步骤六四、在温度T，按内层循环次数，重复步骤六二至步骤六三；
步骤六五、采用退火法则Tn＝αTn-1降低温度T，其中，α为退火率；
步骤六六、重复步骤六二到步骤六五直到收敛条件满足为止。
4.根据权利要求1所述的一种基于模拟退火算法的陶瓷基复合材料多钉连接结构装配及结构参数优化设计方法，其特征在于，在步骤一中，连接结构螺钉数量为双钉或者三钉单剪连接结构。
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