含丟層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化方法研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種高比剛度高比強(qiáng)度且可剪裁設(shè)計(jì)的材料，日益廣泛地應(yīng)用于航空航天、新能源、交通運(yùn)輸和運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)后能夠顯著地提高結(jié)構(gòu)效率和降低制造成本。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常將鋪層方向、鋪層順序以及鋪層厚度作為設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)原則考慮對(duì)稱鋪層、均衡鋪層等約束條件，并綜合考慮或考核結(jié)構(gòu)重量、制造成本、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性等指標(biāo)。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)中存在的離散性、設(shè)計(jì)空間極大以及丟層等問(wèn)題，已有的復(fù)合材

2、料結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化方法往往難以快速穩(wěn)定地搜尋到最優(yōu)鋪層方案，因此有必要在已有研究的基礎(chǔ)上，展開(kāi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化方法研究。
　　本文回顧了近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者在復(fù)合材料層壓板和含丟層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)研究方面的現(xiàn)狀和已取得的一些重要結(jié)果，對(duì)目前該領(lǐng)域存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，并對(duì)復(fù)合材料層壓板、含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)以及含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鋪層優(yōu)化方法研究。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容包括：

3、
　?。?）復(fù)合材料層壓板鋪層優(yōu)化方法研究。在遺傳算法框架內(nèi)，為復(fù)合材料層壓板的鋪層構(gòu)建了全新的染色體編碼方式，使其能夠通過(guò)自身架構(gòu)施加奇數(shù)和偶數(shù)對(duì)稱性約束以及更為合理地施加均衡性約束。同時(shí)，為了在保持進(jìn)化過(guò)程中的多樣性，針對(duì)新的染色體架構(gòu)設(shè)計(jì)了排列因子變異、鋪層數(shù)變異、鋪層類型變異、鋪層位置置換和交叉等五種遺傳算子。最后通過(guò)多種工況下復(fù)合材料層壓板的鋪層優(yōu)化算例對(duì)提出的優(yōu)化方法進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法避免了已有方法中的設(shè)計(jì)空間被人為縮

4、減或優(yōu)化結(jié)果需人工修正等缺點(diǎn)，染色體和遺傳算子的合理設(shè)計(jì)使得優(yōu)化過(guò)程具備了良好的收斂性，計(jì)算成本均在可接受范圍內(nèi)，更為重要的是，與前人研究相比，得到了更輕或重量相當(dāng)?shù)匿亴臃桨?，與已有方法相比具有更加全面的鋪層方案搜索能力。
　　（2）含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)全局鋪層優(yōu)化方法研究。為了能夠在含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行全面的探索，研究了兩個(gè)復(fù)合材料層壓板之間可連接性的必要條件。根據(jù)分析得到的可連接性條件，構(gòu)建了全

5、新的染色體，即鋪層組分染色體和鋪層排列染色體，使其通過(guò)自身架構(gòu)在含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的鋪層優(yōu)化過(guò)程中隱性地施加鋪層連續(xù)性約束。為了在保持進(jìn)化過(guò)程中的多樣性的同時(shí)持續(xù)地滿足各個(gè)子結(jié)構(gòu)間的可連接性條件，針對(duì)新的染色體架構(gòu)對(duì)變異、置換和交叉等3種遺傳算子進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。最后通過(guò)長(zhǎng)條形復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)和U形復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的全局鋪層優(yōu)化算例對(duì)提出的優(yōu)化方法進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該優(yōu)化方法得到的最優(yōu)含丟層結(jié)構(gòu)的重量與層壓板獨(dú)立優(yōu)化得到的總重十分

6、接近，充分說(shuō)明該優(yōu)化方法在含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的鋪層優(yōu)化中具有較強(qiáng)的鋪層方案搜索能力，同時(shí)，在對(duì)稱鋪層和對(duì)稱均衡鋪層情況下，該優(yōu)化方法的計(jì)算成本均在可接受范圍內(nèi)，更為重要的是，與前人研究相比該方法能夠十分穩(wěn)定地得到更優(yōu)的鋪層設(shè)計(jì)方案。
　?。?）含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)全局鋪層優(yōu)化方法研究。探索了含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化問(wèn)題中存在的特殊性。針對(duì)其特殊性在含丟層復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)全局鋪層優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上加入了鋪層厚度染色體，

7、采用鋪層組分染色體、鋪層排列染色體和鋪層厚度染色體對(duì)含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的全局鋪層進(jìn)行編碼，并對(duì)各個(gè)染色體的基因取值范圍以及遺傳算子進(jìn)行具體設(shè)計(jì)或改進(jìn)，使其通過(guò)自身染色體架構(gòu)和遺傳操作在含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的鋪層優(yōu)化過(guò)程中盡可能地不縮減設(shè)計(jì)空間。最后通過(guò)階梯形復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)和U形復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的全局鋪層優(yōu)化算例對(duì)提出的優(yōu)化方法進(jìn)行了驗(yàn)證，在計(jì)算成本在可接受范圍內(nèi)的同時(shí)，能夠十分穩(wěn)定地得到滿足各項(xiàng)約束的鋪層設(shè)計(jì)方案，從而證明了該優(yōu)

8、化方法的計(jì)算效率和計(jì)算穩(wěn)定性。與初始的鋪層方案相比，優(yōu)化后的全局鋪層方案能夠大幅降低含丟層復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的重量。同時(shí)，U形復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的全局鋪層優(yōu)化算例表明，在穩(wěn)定性約束下，輕質(zhì)夾芯的加入能夠明顯降低含丟層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到的總質(zhì)量，在夾芯厚度不連續(xù)的情況下，這種優(yōu)勢(shì)變得更加明顯。
　?。?）基于試驗(yàn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)和鋪層優(yōu)化方法研究。將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)分類問(wèn)題，更加充分地利用現(xiàn)有知