变刚度复合材料板壳结构的等几何分析与混合可靠性优化

High-fidelity lightweight structural design under high reliability constraint is the key requirement of new-generation aerospace load-carrying structures, and variable-stiffness composite panels are promising to improve the load-carrying efficiency of aerospace thin-walled structures. This proposal aims to investigate the performance analysis and uncertain design optimization of variable-stiffness panels, which is of enriched scientific connotation and practical major engineering significance for national security. Firstly, isogeometric modeling method and high-fidelity nonlinear post-buckling analysis method are developed for variable-stiffness panels, and then the load-carrying mechanism is investigated, which can provide an efficient analysis model for subsequent optimization. Then, by breaking through the limitation of traditional fiber path function and fully considering manufacturing constraints, design domain tailoring method is investigated for variable-stiffness panels, which can provide a logical equivalent constraint set for subsequent optimization. Furthermore, hybrid probabilistic and non-probabilistic model is established to describe the multi-source uncertainties of variable-stiffness panels, and then multi-stage hybrid reliability-based design optimization framework together with efficient adaptive-loop algorithms are proposed, and finally the principle test of typical optimum specimens is carried out to validate the proposed research. In this proposal, an integrated optimization process of exact modeling, isogeometric analysis and reliability-based design optimization for variable-stiffness panels is established, which can significantly improve the computational efficiency, and provide theory foundation and methodology for the uncertain design of variable-stiffness composite panels in future aerospace industry.

轻质结构高可靠性精细化设计是新一代航空航天承力结构的核心需求，而复合材料板壳的变刚度设计是提升航空航天薄壁结构承载效率的有效方式。本申请旨在研究解决该类结构的性能分析与不确定性优化设计问题，具有丰富的科学内涵和明确的国家安全重大工程应用价值。首先，研究变刚度结构的等几何精确建模与高精度非线性后屈曲分析方法，揭示其内在承载机理，为后续优化提供高效分析模型。其次，突破传统纤维路径函数限制，充分考虑制造工艺约束，建立变刚度结构设计空间修裁方法，为后续优化提供合理的等效约束集。进一步，开展变刚度结构的多源不确定性高置信概率-非概率建模研究，建立多级混合可靠性高效优化框架及变循环求解算法，并完成典型最优设计的原理性实验验证。通过项目研究，形成变刚度复合材料板壳结构精确建模、等几何分析与可靠性优化的一体化设计流程，大幅提高计算效率，为未来航空航天变刚度复合材料板壳结构的不确定性设计提供理论与方法基础。

轻质结构高可靠性精细化设计是新一代航空航天承力结构的核心需求，而变刚度设计是提升航空航天薄壁结构承载效率的有效方式。本项目在等几何分析框架下，建立了变刚度板壳的精确建模、承载性能分析与可靠性优化的一体化设计方法，大幅提升了薄壁结构设计效率与承载效率，为航空航天等高端装备承载舱段的结构设计提供了新思路、理论方法支撑与工程实用工具。主要成果包括：.1）面向传统有限元方法分析效率低的问题，搭建了变刚度板壳（平板、圆柱壳、空间异型壳）承载性能的等几何分析框架，克服了传统有限元通常仅有C0连续性的弊端，使得建模与分析模型具有相同的几何描述。通过与传统有限元屈曲分析对比，实现工业级变刚度平板和复杂壳体计算效率提升50%以上。.2）突破传统纤维路径限制，建立了考虑纤维广义曲率比拟的流势场铺层设计模型，推导了变刚度板壳屈曲优化问题的全解析灵敏度，建立了轻质变刚度结构纤维路径与形状的多水平一体化设计方法，可大幅提高结构承载能力。.3）针对复杂工程可靠度设计问题收敛性差的难题，提出了ECC、ASSA、ESLA等系列高效可靠度评估算法，建立了变刚度板壳多级混合可靠性设计方法。相比差分法灵敏度或演化类算法，本项目方法可在保证计算精度和全局优化能力的前提下，设计周期减少1倍左右。.4）研发了变刚度结构等几何分析与智能设计优化软件，完成典型变刚度板壳的制备与试验验证。.项目成果应用于我国空军某重点型号多开口锥壳舱段设计，承载效率较初样设计提高33%，该样件已通过承载试验考核（我国航天领域首个3D打印大型锥形舱体）。还应用至捷龙一号火箭、DY火箭、重型火箭、高速飞行器等航天装备关键舱段研制。此外，变刚度设计技术也延拓应用至运动防护装备，研制出高防护性变刚度滑雪头盔，大幅度提升头盔抗冲击吸能效率，已顺利通过欧洲滑雪头盔安全标准EN1077测试，应用于雪上空中技巧专业队冬奥备战训练，以航天科技助力北京冬奥。本项目研究成果支撑获得2020年国家技术发明二等奖。