复合材料结构几何因子优化方法和纤维连续性模型研究

The large number and various types of composite structure design variables have a strong coupling relationship between each other，which increases the complexity of composite structure optimization problem. For large laminated structure, the optimal result with each region optimized individually may lead to serious manufacturing difficulties, as the resulting stacking sequence orientations may vary widely between adjacent regions. This project mainly focuses on above two aspects and carries out research of efficient optimization method for composite laminated structure refinement design. (1) Composite laminate optimization method based on lamination parameters is proposed, mainly based on research of three aspects: the feasible region of lamination parameters , the conversion process from lamination parameters to laminate configuration and parameterized modeling of laminate stiffness property with laminate parameters; (2)Several types of fiber continuity models with wider application ranges are proposed through introducing “distance variable” and “key region variable”. (3) A combination optimization method including advantages of both lamination parameters and fiber continuity model is proposed. This project aims at solving the problems of the existing optimization model and improves the composite laminated structure refinement design level of our country.

复合材料结构设计变量类型和数目较多，且各变量之间具有较强的耦合性，增加了复合材料结构优化设计的复杂度；对于大型层合结构，针对各个优化区域分别进行优化得到的铺层结果会导致相邻区域间铺层缺少连续性，不满足工艺约束。本项目主要针对以上两个问题，开展复合材料层合结构精细化设计的高效优化方法研究。（1）提出以几何因子作为设计变量的层合板几何因子优化方法，对其中的关键问题进行研究，包括几何因子的可行空间、根据几何因子求解铺层结构的问题以及基于几何因子的层合板刚度属性建模方法。（2）通过引入“距离变量”和“关键区域变量”提出几种适用范围较广的纤维连续性模型以解决优化区域间的纤维连续性等工艺问题。（3）在几何因子优化方法和纤维连续性模型的基础上，提出可用于大型层合结构优化设计的几何因子和纤维连续性模型联合优化方法。本项目旨在解决当前复合材料结构优化模型中存在的问题，提高我国复合材料层合结构精细化设计水平。

复合材料以其优异的可设计性在飞机结构轻量化设计中得到了广泛应用，用以提高飞机结构效率，进而提升飞机总体性能。然而复合材料结构设计变量类型和数目多，各变量之间具有较强的耦合性，且设计变量与结构响应之间的复杂关系增加了优化设计的复杂性和难度。.本项目主要针对两个方面进行研究：高效的复合材料翼面结构优化设计方法与大型复合材料结构多区域优化设计的纤维连续性问题。围绕这两个方面，本项目开展了基于几何因子的复合材料结构优化设计方法研究，并针对典型优化问题验证评估其有效性；发展了基于纤维连续性模型的铺层优化设计技术，并对实际工程案例进行应用研究。.（1）提出了一种基于几何因子作为设计变量和Nastran作为结构求解器的复合材料翼面结构优化方法。几何因子是铺层厚度、铺层角度和铺层顺序的函数，可作为表征层合板刚度特性的一个简洁参数。本项目对几何因子概念、物理属性和最新研究成果进行深入探讨和总结，依据最小铺层比例进行几何因子可行空间的推导补充，对已知几何因子求解铺层结构的优化目标函数进行改进，实现了基于几何因子的层合板刚度属性建模，实现了实数编码遗传算法以及主从式并行框架的构建，在这些研究基础上进而采用几何因子作为设计变量进行复合材料翼面结构优化设计研究。.（2）通过对向导式纤维连续性模型和广义纤维连续性模型的对比研究，对设计变量进行选择研究，建立了三种满足铺层工艺要求的复合材料优化模型。与已有方法相比，从铺层模型上保证了纤维的连续性而不需要引入额外的约束条件，并结合实数编码并行遗传算法构建了大型复合材料结构的纤维连续性优化设计框架。为了进一步减少设计变量数目，借鉴几何因子法和向导式纤维连续性模型的特点，本项目提出一种几何因子和向导式纤维连续性模型联合优化方法，使得设计变量数目大幅度减少，且可以保证优化结果满足纤维连续性等工艺要求。