一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法與流程

本發(fā)明涉及復合材料優(yōu)化設計，具體為一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的常用預測自動鋪帶機織復合材料力學性能的力學模型主要有層合板理論模型和有限元模型。機織復合材料的優(yōu)化設計研究主要集中在細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

2、(1)層合板理論模型，假設機織物結(jié)構(gòu)單元是多個單向鋪層板的組合，并且每塊單向板具有相同的纖維體積分數(shù)，然后將各層板的剛度矩陣集成為整體剛度矩陣。此類模型基于經(jīng)典的層壓板理論，利用平均化的方法求出機織復合材料的面內(nèi)彈性常數(shù)。

3、(2)有限元分析模型，分析機織物細觀集幾何模型，使用單胞模型或者代表性體積單元模型，對纖維束的空間排列進行研究，考慮紗線的截面形狀非圓形，纖維束的屈曲等因素，預測織物的拉伸、壓縮、沖擊后壓縮等力學性能。

4、(3)細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，綜合考慮材料的剛度、單胞寬度、單胞長度和編織深度等因素。通過對材料尺寸和機織工藝參數(shù)進行優(yōu)化，使材料重量、強度、穩(wěn)定性、頻率和比阻尼容量等最優(yōu)，進行多次均勻化剛度的計算，最終得到各項指標均符合設計要求的細觀骨架結(jié)構(gòu)。

5、目前針對復合材料領(lǐng)域，大多數(shù)技術(shù)針對已有的結(jié)構(gòu)開展細觀結(jié)構(gòu)建模方法，以及針對具體結(jié)構(gòu)的等效彈性模量、等效剛度和等效熱膨脹系數(shù)計算仿真方法展開，未能對結(jié)構(gòu)實現(xiàn)特定的目標展開優(yōu)化設計?；谝陨系脑颍景l(fā)明提出一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術(shù)問題

2、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明通過斷裂力學建立的準則可以判斷一個脫層是否會擴展，如果裂紋尖端的能量釋放率大于或者等于臨界能量釋放率那么脫層就會擴展；通過基于梁理論的能量法求解新型機織復合材料梁結(jié)構(gòu)中脫層的能量釋放率，為驗證層合板的剛度設計可以降低能量釋放率的值從而推遲或者減慢脫層擴展，而材料的組合以及同等長度下分成的份數(shù)都能影響到三點彎曲梁模型中脫層的能量釋放率，本發(fā)明通過對細觀結(jié)構(gòu)的改變從而降低層間能量釋放率，達到延緩脫層擴展進行細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，包括以下的步驟：

5、s1：確定復合材料不同部分材料屬性，得到脫層穿過簡單機織復合材料中的不同子層合板；

6、s2：確定材料屬性后還需要確定脫層后各部分的廣義力，根據(jù)最小余能原理和拉格朗日數(shù)乘法計算；

7、s3：依據(jù)廣義力和材料剛度計算脫層左右兩端的能量釋放率，得到裂紋兩端的能量釋放率后，通過斷裂力學建立的準則可以判斷脫層是否會擴展；

8、s4：根據(jù)材料的組合以及同等長度下分成的份數(shù)對機織復合材料的影響，對2.5維自動鋪帶機織復合材料層合板進行優(yōu)化設計。

9、優(yōu)選的，所述步驟s1中對于復合材料的材料屬性的確定，包括含有基體的結(jié)構(gòu)中各個部分的中性軸以及拉伸、彎曲和剪切剛度、確定子層合板區(qū)域的新的中性線na2、三角形基體和機織帶區(qū)域的中性線na1、整個結(jié)構(gòu)的中性線用na和任何一個部分的彎曲剛度ei，并且剪切變形剛度的計算方法與拉伸剛度的計算方法相同，只需用ga替代ea即可。

10、優(yōu)選的，所述步驟s2中對于脫層后各部分的廣義力的計算，包括以下的步驟：

11、s11：求解脫層梁的余能，脫層把3種不同的材料分為6個部分，x1是脫層的左端軸向位置，x2是脫層的右端軸向位置，不同材料之間的過渡點是e1和e2，6個子梁的中性線各不相同3個上子梁的中性線到3個下子梁的中性線的距離分別為c1，c2和c3；

12、s12：在x＝x1，x＝e1，x＝e2和x＝x2位置處的連續(xù)條件下，確定拉格朗日乘數(shù)法的約束條件，并且約束條件的個數(shù)和拉格朗日乘數(shù)因子的個數(shù)相同，拉格朗日乘數(shù)因子是λ1，λ2，λ3，λ4，λ5和λ6；

13、s13：拉格朗日方程對n微分；

14、s14：拉格朗日方程分別對各個彎矩微分，求解后得到脫層梁中的廣義力。

15、優(yōu)選的，所述步驟s11中拉格朗日乘數(shù)法計算脫層子梁的最小能量的目標函數(shù)，為：

16、

17、

18、優(yōu)選的，所述步驟s3中脫層左右兩端的能量釋放率的的計算公式分別為：

19、

20、優(yōu)選的，所述步驟s4中對2.5維自動鋪帶機織復合材料層合板進行優(yōu)化設計，包括以下的步驟：

21、s21：建立機織復合材料層合板模型；

22、s22：2.5維機織復合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題范圍縮小至使用遺傳算法在約束條件滿足兩個目標；

23、s23：根據(jù)材料屬性和尺寸，使得2.5維機織復合材料機織方式的優(yōu)化滿足約束條件。

24、優(yōu)選的，所述步驟s21中假設基體對整個結(jié)構(gòu)材料屬性的影響可以忽略不計，建立單向機織復合材料層合板模型，對于鋪層順序為[02/45/-45/(02w/902f)/0]s的簡單機織復合材料，主要的兩個部分的材料就是鋪層為[02/45/-45/02/902/0]s和[02/45/-45/902/02/0]s的傳統(tǒng)復合材料層合板。

25、優(yōu)選的，所述步驟s22中的兩個約束條件包括:

26、(1)使用同種纖維帶；

27、(2)合材料層合板厚度一定的約束下拉伸剛度最大、組成機織復合材料的兩種主要層合板材料的彎曲剛度為2倍關(guān)系、且兩種鋪層能夠使用機織層連接起來。

28、(三)有益效果

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，具備以下有益效果：本發(fā)明通過斷裂力學建立的準則可以判斷一個脫層是否會擴展，如果裂紋尖端的能量釋放率大于或者等于臨界能量釋放率那么脫層就會擴展；通過基于梁理論的能量法求解新型機織復合材料梁結(jié)構(gòu)中脫層的能量釋放率，為驗證層合板的剛度設計可以降低能量釋放率的值從而推遲或者減慢脫層擴展，而材料的組合以及同等長度下分成的份數(shù)都能影響到三點彎曲梁模型中脫層的能量釋放率，本發(fā)明通過對細觀結(jié)構(gòu)的改變從而降低層間能量釋放率，達到延緩脫層擴展進行細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

技術(shù)特征：

1.一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，其特征在于，包括以下的步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟s1中對于復合材料的材料屬性的確定，包括含有基體的結(jié)構(gòu)中各個部分的中性軸以及拉伸、彎曲和剪切剛度、確定子層合板區(qū)域的新的中性線na2、三角形基體和機織帶區(qū)域的中性線na1、整個結(jié)構(gòu)的中性線用na和任何一個部分的彎曲剛度ei，并且剪切變形剛度的計算方法與拉伸剛度的計算方法相同，只需用ga替代ea即可。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟s2中對于脫層后各部分的廣義力的計算，包括以下的步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟s11中拉格朗日乘數(shù)法計算脫層子梁的最小能量的目標函數(shù)，為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，其特征在于：所述步驟s3中脫層左右兩端的能量釋放率的的計算公式分別為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟s4中對2.5維自動鋪帶機織復合材料層合板進行優(yōu)化設計，包括以下的步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟s21中假設基體對整個結(jié)構(gòu)材料屬性的影響可以忽略不計，建立單向機織復合材料層合板模型，對于鋪層順序為[02/45/-45/(02w/902f)/0]s的簡單機織復合材料，主要的兩個部分的材料就是鋪層為[02/45/-45/02/902/0]s和[02/45/-45/902/02/0]s的傳統(tǒng)復合材料層合板。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟s22中的兩個約束條件包括:

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種2.5維自動鋪帶機織復合材料細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，涉及復合材料優(yōu)化設計技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過斷裂力學建立的準則可以判斷一個脫層是否會擴展，如果裂紋尖端的能量釋放率大于或者等于臨界能量釋放率那么脫層就會擴展；通過基于梁理論的能量法求解新型機織復合材料梁結(jié)構(gòu)中脫層的能量釋放率，為驗證層合板的剛度設計可以降低能量釋放率的值從而推遲或者減慢脫層擴展，而材料的組合以及同等長度下分成的份數(shù)都能影響到三點彎曲梁模型中脫層的能量釋放率，本發(fā)明通過對細觀結(jié)構(gòu)的改變從而降低層間能量釋放率，達到延緩脫層擴展進行細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭偉玲,包高峰,王光秋,錢春華,劉峰
受保護的技術(shù)使用者：天目山實驗室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30