專利名稱：一種確定層合板復(fù)合材料的鋪層角方向與厚度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計方法領(lǐng)域，特別涉及一種粒子群方法與數(shù)學(xué)規(guī)劃相結(jié)合的確定層合板復(fù)合材料的鋪層角方向與厚度的方法。
背景技術(shù)：
層合板復(fù)合材料由高強(qiáng)度、低密度的纖維材料與基體組成，具有比傳統(tǒng)材料更高的比強(qiáng)度和比模量，在航空航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。但是，由于層合板復(fù)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(guān)系。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)承受復(fù)雜載荷時，相對于普通金屬材料，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計也變得更加復(fù)雜。層合板復(fù)合材料的典型設(shè)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(xù)取值，通常只選擇幾個比較規(guī)則的角度，如0°、30°、45°等，而單層板的厚度一般可以在連續(xù)變量中選取。因此，層合板復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計屬于混合優(yōu)化設(shè)計，即包含連續(xù)的設(shè)計變量(鋪層厚度)，又包含離散設(shè)計變量(鋪層角度)。另外，由于復(fù)合材料力學(xué)特性十分復(fù)雜，目標(biāo)函數(shù)和約束條件種類繁多，很多時候需要進(jìn)行整體優(yōu)化。目前的設(shè)計方法主要有基于微分的方法、枚舉法、隨機(jī)搜索方法和啟發(fā)式搜索方法，但是由于現(xiàn)存算法的計算效率太低，故不適用于多個設(shè)計變量的層合板復(fù)合材料設(shè)計。群智能優(yōu)化方法是層合板復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計的另一種方法，群智能優(yōu)化方法的優(yōu)勢在于其設(shè)計方法簡單、易于實現(xiàn)，并有一定的全局性；然而粒子群優(yōu)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(yōu)化方法的尋優(yōu)特性進(jìn)行分析，利用半解析法得到如

圖1所示的在不同慣性權(quán)重ω下粒子某一維設(shè)計變量X在標(biāo)準(zhǔn)空間中的概率密度分布情況；其解析表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種確定層合板復(fù)合材料的鋪層角方向與厚度的方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下 (1)以層合板復(fù)合材料的鋪層角方向與厚度為設(shè)計變量，以層合板復(fù)合材料的質(zhì)量最小或者屈曲臨界載荷最大為設(shè)計目標(biāo)f (xCi, Xc2- · ·，Xcd, XD1, XD2· · ·，xDs)，以層合板復(fù)合材料的許用應(yīng)力以及規(guī)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(shù)，建立層合板復(fù)合材料設(shè)計的優(yōu)化列式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定層合板復(fù)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(shù)學(xué)規(guī)劃設(shè)計方法包括序列二次規(guī)劃方法、序列線性規(guī)劃基于梯度理論的方法，具體實現(xiàn)包括四個步驟a.根據(jù)當(dāng)前層合板復(fù)合材料的鋪層厚度與鋪層角方向，通過進(jìn)行力學(xué)分析得到層合板復(fù)合材料的各個鋪層的應(yīng)力以及規(guī)定位置的位移，總的重量；b.求解鋪層厚度以及鋪層角方向設(shè)計變量對層合板復(fù)合材料重量或者屈曲臨界載荷的目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)的值的靈敏度；C.采用序列二次優(yōu)化方法或序列線性優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化分析；d.如果達(dá)到規(guī)定的迭代次數(shù)停止數(shù)學(xué)規(guī)劃，否則轉(zhuǎn)到a。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定層合板復(fù)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)中所述部分粒子的原始設(shè)計方案被確定在搜索空間的對角線上，其余粒子的原始設(shè)計方案則在搜索空間內(nèi)隨機(jī)生成，步驟如下取
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定層合板復(fù)合材料的鋪層角方向與厚度的方法，其特征在于所述步驟(2)中的懲罰因子α取值范圍為20到1000。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定層合板復(fù)合材料的鋪層角方向與厚度的方法，其特征在于所述步驟(1)中的Iitl取15 20。
全文摘要
一種確定層合板復(fù)合材料的鋪層角方向與厚度的方法，步驟:(1)建立層合板復(fù)合材料設(shè)計模型，將模型中離散變量轉(zhuǎn)化為連續(xù)變量，并增加相應(yīng)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(biāo)值都為一個設(shè)計方案；(2)記錄初始時每個粒子的坐標(biāo)值為個體最優(yōu)方案，進(jìn)而得到全局最優(yōu)設(shè)計方案；(3)首先利用粒子群設(shè)計方法對粒子的位置進(jìn)行更新，根據(jù)粒子的不同類型進(jìn)行不同最大迭代次數(shù)數(shù)學(xué)規(guī)劃設(shè)計；(4)得到新的層合板復(fù)合材料的潛在設(shè)計方案并更新個體與全局最優(yōu)設(shè)計方案；(5)判斷是否滿足收斂條件，如不滿足轉(zhuǎn)到(3)；(6)將全局最優(yōu)設(shè)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(fù)合材料的設(shè)計方案。
文檔編號G06F17/50GK103034766SQ20121054585
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月15日
發(fā)明者邱志平, 李琦, 王曉軍, 呂 崢, 王睿星 申請人:北京航空航天大學(xué)