一种复合材料网状曲线加筋结构及其优化设计方法与流程

本申请属于复合材料领域，特别涉及一种复合材料网状曲线加筋结构及其优化设计方法。

背景技术：

1、复合材料加筋板以其优异的力学性能广泛应用于航空航天领域。由于复合材料结构制造技术水平的限制，传统的复合材料加筋板长桁轴线通常为直线构型，其可设计性较低，直线构型的复合材料加筋板的抗屈服能力较低，从而结构屈曲载荷重量比较小，加筋结构的承载效率较低。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供了一种复合材料网状曲线加筋结构及其优化设计方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

2、本申请的技术方案是：一种复合材料网状曲线加筋结构优化设计方法，所述方法包括：

3、定义网状曲线加筋结构并构建所述网状曲线加筋结构的优化数学模型；

4、确定所述网状曲线加筋结构的几何尺寸、复合材料固定参数、复合材料设计参数及载荷和位移边界条件；

5、基于所述网状曲线加筋结构的几何尺寸、复合材料固定参数及复合材料设计参数构建所述网状曲线加筋结构的几何模型和材料模型，基于所述几何模型和材料模型开展载荷和位移边界条件下的网状曲线加筋结构的载荷分析及质量计算，得到所述网状曲线加筋结构的屈曲载荷和总质量，进而得到基于所述优化数学模型下的网状曲线加筋结构的屈曲载荷重量比；

6、基于全局搜索算法得到多组复合材料设计参数，基于多组复合材料设计参数并以网状曲线加筋结构的屈曲载荷重量比最大为目标进行优化迭代得到该目标下的复合材料设计参数，从而完成复合材料网状曲线加筋结构的优化设计。

7、在本申请优选实施方式中，所述网状曲线加筋结构为：

8、覆盖在第一曲线长桁和第二曲线长桁上的蒙皮，在蒙皮正中心建立直角坐标系xoy，x轴方向平行于蒙皮长度方向，y轴方向平行于蒙皮宽度方向，网状曲线加筋结构的整体长度为l、宽度为w；

9、与x轴成锐角的若干第一曲线长桁和与x轴成钝角的若干第二曲线长桁交错排列成网状，第一曲线长桁的中心长桁轴线为线性角度变化曲线，该曲线关于原点中心对称，在x＝0处切线方向与x轴夹角为t0，在x＝l/2处切线方向与x轴夹角为t1，于是有在曲线长桁任意一点切线方向与x轴夹角为α(x)：

10、

11、由此，当t0≠t1时，中心长桁的轴线具有曲线方程：

12、

13、当t0＝t1时，中心长桁轴线为直线：y＝x·tant0,

14、其余第一曲线长桁的轴线由中心长桁轴线沿y轴方向平移而来，相邻第一曲线长桁平移距离为d；

15、第二曲线长桁轴线与对应第一曲线长桁轴线关于x轴对称；

16、在打印曲线长桁时，纤维方向沿着曲线长桁轴线方向；

17、第一曲线长桁和第二曲线长桁的截面为工字型，上下缘条宽度分别为w1、w2，腹板高度为h，缘条和腹板厚度均为h1，由打印层厚度t1及打印层数n1决定，即h1＝t1n1；蒙皮的厚度为h2，由铺层厚度t2及铺层数n2决定，即h2＝t2n2。

18、在本申请优选实施方式中，所述网状曲线加筋结构的优化数学模型为：

19、

20、式中，f([θi],d,＜t0|t1＞)为屈曲载荷重量比,即优化目标函数；

21、pcr([θi],d,＜t0|t1＞)为结构屈曲载荷；

22、m(d,＜t0|t1＞)为结构总质量；

23、[θi]为蒙皮铺层顺序，i表示铺层序号；

24、d为曲线长桁平移距离；

25、＜t0|t1＞为曲线长桁轴线构型参数；

26、g为重力加速度；

27、tmin、tmax分别为最小夹角和最大夹角；

28、dmin、dmax分别为最小平移距离和最大平移距离。

29、在本申请优选实施方式中，所述网状曲线加筋结构的几何尺寸包括：蒙皮长度l、蒙皮宽度w，曲线长桁上下缘条宽度w1、w2，腹板高度h；

30、所述复合材料固定参数包括：曲线长桁打印层数n1，蒙皮铺层数n2，材料属性；

31、所述复合材料设计参数包括：蒙皮铺层顺序[θi]、曲线长桁平移距离d和曲线长桁轴线构型参数＜t0|t1＞。

32、在本申请优选实施方式中，所述全局搜索算法包括霍克-基维斯直接搜索算法和多岛遗传算法。

33、在本申请优选实施方式中，所述优化迭代设有最大优化次数，当迭代优化次数为最大或达到优化目标时，结束迭代计算。

34、另外，本申请还提供了一种复合材料网状曲线加筋结构，所述复合材料网状曲线加筋结构根据上任一所述的复合材料网状曲线加筋结构优化设计方法设计得到。

35、本申请提供的复合材料网状曲线加筋结构优化方法与传统的网状直线加筋结构相比，屈曲载荷重量比显著提高，抗屈曲承载能力显著增强。

技术特征：

1.一种复合材料网状曲线加筋结构优化设计方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的复合材料网状曲线加筋结构优化设计方法，其特征在于，所述网状曲线加筋结构为：

3.如权利要求2所述的复合材料网状曲线加筋结构优化设计方法，其特征在于，所述网状曲线加筋结构的优化数学模型为：

4.如权利要求3所述的复合材料网状曲线加筋结构优化设计方法，其特征在于，所述网状曲线加筋结构的几何尺寸包括：蒙皮长度l、蒙皮宽度w，曲线长桁上下缘条宽度w1、w2，腹板高度h；

5.如权利要求3所述的复合材料网状曲线加筋结构优化设计方法，其特征在于，所述全局搜索算法包括霍克-基维斯直接搜索算法和多岛遗传算法。

6.如权利要求1所述的复合材料网状曲线加筋结构优化设计方法，其特征在于，所述优化迭代设有最大优化次数，当迭代优化次数为最大或达到优化目标时，结束迭代计算。

7.一种复合材料网状曲线加筋结构，其特征在于，所述复合材料网状曲线加筋结构根据权利要求1至6任一所述的复合材料网状曲线加筋结构优化设计方法设计得到。

技术总结
本申请提供了一种复合材料网状曲线加筋结构及其优化设计方法，所述方法包括：定义网状曲线加筋结构并构建优化数学模型；确定网状曲线加筋结构的几何尺寸、复合材料固定参数、复合材料设计参数及载荷和位移边界条件；基于几何尺寸、复合材料固定参数及复合材料设计参数构建网状曲线加筋结构的几何模型和材料模型，基于几何模型和材料模型开展载荷和位移边界条件下的载荷分析及质量计算，网状曲线加筋结构的得到屈曲载荷和总质量，进而得到基于优化数学模型下的屈曲载荷重量比；基于全局搜索算法得到多组复合材料设计参数，基于多组复合材料设计参数并以屈曲载荷重量比最大为目标进行优化迭代得到该目标下的复合材料设计参数，从而完成优化设计。

技术研发人员：杨钧超,陈向明,邹鹏,王喆,毕雪,李尹松,雷安民
受保护的技术使用者：中国飞机强度研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1