一種確定層合板復合材料的鋪層角方向與厚度的方法技術

一種確定層合板復合材料的鋪層角方向與厚度的方法，步驟:（1）建立層合板復合材料設計模型，將模型中離散變量轉化為連續變量，并增加相應的約束，依照特定的初始化方案生成若干個粒子，每個粒子的坐標值都為一個設計方案；（2）記錄初始時每個粒子的坐標值為個體最優方案，進而得到全局最優設計方案；（3）首先利用粒子群設計方法對粒子的位置進行更新，根據粒子的不同類型進行不同最大迭代次數數學規劃設計；（4）得到新的層合板復合材料的潛在設計方案并更新個體與全局最優設計方案；（5）判斷是否滿足收斂條件，如不滿足轉到（3）；（6）將全局最優設計方案中的鋪層厚度與圓整后的鋪層方向作為最終的層合板復合材料的設計方案。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及復合材料優化設計方法領域，特別涉及一種粒子群方法與數學規劃相結合的確定層合板復合材料的鋪層角方向與厚度的方法。
技術介紹
層合板復合材料由高強度、低密度的纖維材料與基體組成，具有比傳統材料更高的比強度和比模量，在航空航天、汽車等工業領域已得到廣泛應用。但是，由于層合板復合材料具有各向異性，所以其性能與鋪層角度等有著密切關系。在復雜結構承受復雜載荷時，相對于普通金屬材料，其相應的結構設計也變得更加復雜。層合板復合材料的典型設計變量為鋪層角度、鋪層厚度。由于加工工藝的限制，層合板中各單層板的鋪層角一般不能連續取值，通常只選擇幾個比較規則的角度，如0°、30°、45°等，而單層板的厚度一般可以在連續變量中選取。因此，層合板復合材料的優化設計屬于混合優化設計，即包含連續的設計變量(鋪層厚度)，又包含離散設計變量(鋪層角度)。另外，由于復合材料力學特性十分復雜，目標函數和約束條件種類繁多，很多時候需要進行整體優化。目前的設計方法主要有基于微分的方法、枚舉法、隨機搜索方法和啟發式搜索方法，但是由于現存算法的計算效率太低，故不適用于多個設計變量的層合板復合材料設計。群智能優化方法是層合板復合材料優化設計的另一種方法，群智能優化方法的優勢在于其設計方法簡單、易于實現，并有一定的全局性；然而粒子群優化方法也存在著計算量大、收斂緩慢等缺點。采用基于馬爾科夫過程對粒子群優化方法的尋優特性進行分析，利用半解析法得到如附圖說明圖1所示的在不同慣性權重ω下粒子某一維設計變量X在標準空間中的概率密度分布情況；其解析表達式為

【技術保護點】
一種確定層合板復合材料的鋪層角方向與厚度的方法，其特征在于實現步驟如下：（1）以層合板復合材料的鋪層角方向與厚度為設計變量，以層合板復合材料的質量最小或者屈曲臨界載荷最大為設計目標f(xC1,xC2...,xCd,xD1,xD2...,xDs)，以層合板復合材料的許用應力以及規定位置的位移為約束條件gj(xC1,xC2...,xCd,xD1,xD2...,xDs)，j為約束編號，p代表約束的個數，建立層合板復合材料設計的優化列式：minf(xC1,xC2...,xCd,xD1,xD2...,xDs)s,t.gj(xC1,xC2...,xCd,xD1,xD2...,xDs)≤0,j=0.1...,pxCkL≤xCk≤xCkU,k=1,2...,dxDi∈{qaDi},q=0,1...,MDi,i=1,2...,s---(1);其中xC1,xC2...,xCd為連續變量，代表層合板復合材料的單層厚度，d為連續變量的個數；xD1,xD2...,xDs為離散變量，代表層合板復合材料的鋪層角方向，s為離散變量的個數；aDi代表鋪層角方向選取規格，MDi為xDi可以選用的最大鋪層角方向選取規格的倍數；為連續設計變量的下界與上界；{qaDi}，q＝0,1...,MDi為包含xDi可選取的鋪層角方向離散集合；然后采用連續變量xd1,xd2...,xds對上述的優化列式中的離散變量xD1,xD2...,xDs進行替換；同時在優化列式中引入離散變量約束ai為在gp+1中使xdi的最終優化結果滿足離散變量條件的調整系數，ai＝2π/aDi，ε為預先設定的小值；最終形成層合板復合材料的連續變量設計列式：minf(xC1,xC2...,xCd,xd1,xd2...,xds)s.t.gj(xC1,xC2...,xCd,xd1,xd2...,xds)≤0,j=0,1...,pgp+1=Σi=1s(1-cos(aixdi))2<ϵxCkL≤xCk≤xCkU,k=1,2...,d0≤xdi≤MDiaDil=1,2...,s---(2);接著在所述設計變量的上下界圍成的變量空間內生成N個粒子，每個粒子中包含粒子的位置xi和速度vi兩個狀態向量，i代表粒子的編號；粒子的位置xi＝(xi，C1,xi，C2...,xi,Cd,xi，d1,xi，d2...,xi,ds)是一個設計變量組成的向量，粒子的位置均為潛在最優設計，即每個粒子的位置均為一個設計方案；每個粒子速度向量vi＝(vi，C1,vi，C2...,vi,Cd,vi，d1,vi，d2...,vi,ds)表示下次更新時位置變化的大?。徊糠至Ｗ游恢迷谧兞靠臻g主對角線上均勻生成，其它粒子的位置在變量空間內隨機生成，所有粒子的速度都隨機生成；最后以所述設計目標和約束條件，對于以上產生的N個粒子的原始設計方案x′i(0)，分別采用數學規劃設計方法進行不超過n0次的優化設計，并將得到的設計方案xi(0)作為粒子群的初始設計方案；（2）采用有限元法或者解析法對層合板復合材料進行力學分析，求出層合板復合材料的各個鋪層的應力以及規定位置的位移；按照以上力學分析結果，計算層合板復合材料的設計目標總重量或者最大臨界屈曲載荷以及約束條件的函數值；然后計算各個粒子目標函數值L(xi)=f(xi)+(1+α|f(xi)|)(Σj=1p+1|max(0,gj(xi))|),（f(·)為層合板復合材料的連續變量設計列式中的設計目標，g(·)為層合板復合材料的連續變量設計列式中的不等式約束，α為懲罰因子；從小到大進行排序，選出目標函數值最小的兩個粒子，記錄這兩個粒子的目標函數值與位置作為全局最優設計方案gbest1(0)=(gbest1，C1(0)..,gbest1,Cd(0),gbest1，d1...,gbest1,ds(0))以及全局次優設計方案gbest2(0)＝(gbest2，C1(0)...,gbest2,Cd(0),gbest2，d1...,gbest2,ds(0))，記錄此時N個粒子位置為個體最優設計方案pbesti(0)＝(pbesti，C1(0)..,pbesti,Cd(0),pbesti，d1...,pbesti,ds(0))；（3）在進化過程中選取gbest1,d(k)和gbest2，d(k)的中值作為名義最優設計方案，再利 用當前粒子的位置xi(k)與速度vi(k)，采用粒子群設計方法對N個粒子的位置與...

【技術特征摘要】
1.一種確定層合板復合材料的鋪層角方向與厚度的方法，其特征在于實現步驟如下 (1)以層合板復合材料的鋪層角方向與厚度為設計變量，以層合板復合材料的質量最小或者屈曲臨界載荷最大為設計目標f (xCi, Xc2- · ·，Xcd, XD1, XD2· · ·，xDs)，以層合板復合材料的許用應力以及規定位置的位移為約束條件gj (xCl, Xc2- · ·，XCd. XD1，XD2· · ·，XDs)，J為約束編號，P代表約束的個數，建立層合板復合材料設計的優化列式2.根據權利要求1所述的一種確定層合板復合材料的鋪層角方向與厚度的方法，其特征在于所述步驟(I)中數學規劃設計方法包括序列二次規劃方法、序列線性規劃基于梯度理論的方法，具體實現包括四個步驟a.根據當前層合板復合材料的鋪層厚度與鋪層角方向，通過進行力學分析得到層合板復...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邱志平，李琦，王曉軍，呂崢，王睿星，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：