一种复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法与流程

本发明涉及水下航行器壳体结构设计领域，具体地说，涉及水下航行器复合材料耐压壳体的铺层设计方法。

背景技术：

目前，水下航行器正朝着大深度、远航程以及轻型化的方向发展。水下航行器的壳体主要用于承受载荷，作为内部设备的支撑与包容，因此壳体结构设计在整个航行器系统设计中有着非常重要的地位，结构设计的好坏直接关系到整个航行器的系统性能和实际应用。耐压壳体作为水下航行器的主体结构，主要用于承受巨大的外部静水压力，从而保证水下航行器中作业人员的人身安全以及各种仪器设备的正常工作，因此，耐压壳体常被认为是水下航行器的“皮肤”和“骨骼”。大口径、薄壁、易变性、难加工、需要承受高压以及耐海水腐蚀是水下航行器壳体研制的难点，随着对水下航行器工作深度、航速、航程等性能指标要求的不断提高，水下航行器上相关组部件对重量和结构尺寸需求均有所增加，而受到发射平台、发射装置的限制，水下航行器的重量和结构尺寸的增加相对来说较为困难，尤其是对于要求装在于反潜巡逻机、直升机、水面舰艇发射以及空中投放使用的轻型水下航行器来说，这一矛盾更为突出，常用于制造水下航行器耐压壳体的金属材料，如高强度钢、铝合金、钛合金等很难满足现代化装备对水下航行器功能和载荷能力的高要求。于是，在现代工程、特别是航空航天领域已经广泛应用的复合材料逐渐的走入了人们的视野。

复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，并且有些性能是原来组分材料所没有的，复合材料改善了组分材料的刚度、强度、热力学等性能。由于较高的比强度、比刚度及优越的可设计性,加之海洋结构物发展的需要，工程上对复合材料海洋结构物越来越重视。但是同时，由于水下特殊的工作环境，加之纤维复合材料属于典型的各向异性材料，其结构的材料参数和几何参数增多，未知函数、控制方程、边界条件和初始条件增多，并且复合材料结构在一种外力的作用下，还可能会发生耦合现象，即除了引起本身的基本变形外，还可能引起其他的变形，例如拉剪耦合或者弯扭耦合，使得分析水下复合材料承压壳体结构的力学响应的难度增大。现有的设计方法常常结合于有限元方法对复合材料结构进行分析，然而复合材料耐压壳体的优化设计常常伴随着大量的设计参数，利用优化算法结合有限元分析往往需要分析大量的样本点，进行多次迭代才能得到满意的结果，需要大量的计算时间，这在一定程度上影响了复合材料耐压壳体的优化设计效率。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，克服水下航行器复合材料耐压壳体优化设计效率较低，以及常规的基于模型的壳体结构设计优化方法计算量过大、效率较低的问题，本发明提出一种复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定设计参数及其参数范围；根据水下航行器复合材料耐压壳体的结构对壳体进行参数确定，设计参数包括壳体的内径，壳体的长径比与径厚比；

步骤2.确定复合材料耐压壳体的铺层模式；构建铺层参数，铺层参数包括不同的铺层角度φi，铺层角度对应的铺层层数ni；

步骤3.选取确定优化算法；由于复合材料结构加工的工艺限制，铺层角度φi为在特定的范围内选择，或±30°、或±45°；铺层层数ni为整数变量，复合材料耐压壳体铺层优化为离散优化；遗传算法是一种全局优化概率算法，不依赖梯度信息，且支持任意形式的目标函数和约束，适于复合材料耐压壳体铺层设计优化；

步骤4.确定设计变量铺层角度φi与铺层角度对应的铺层层数ni的取值范围，构建目标函数与适应度函数，确定初始种群规模，遗传代数，收敛判断准则，以及遗传过程中的选择方案，交叉率和变异率；

步骤5.迭代计算，计算种群中每个个体的适应度，根据选择方案，适应度高的个体更容易生存到下一代种群，对种群进行遗传，交叉，变异操作，生成新一代的种群；计算新一代种群中每个个体的适应度，并根据收敛条件判断是否收敛，如若收敛则跳出计算，若不收敛，则重复上一过程，直至结果收敛或者达到最大遗传代数。

有益效果

本发明提出的一种复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法，是以提高复合材料耐压壳体结构承压能力为目标的基于壳体刚度系数的铺层方式优化设计方法。首先构建铺层参数，其包括不同的铺层角度φi，铺层角度对应的铺层层数ni；建立目标函数来描述不同铺层方式所对应的刚度系数比与该最佳刚度系数比的接近程度，某个铺层对应的目标函数值越小，则代表该铺层对应的刚度系数比越接近最佳刚度系数比，即壳体性能越高；根据设计模型，利用遗传算法与经典层合理论，寻找到最佳铺层方式。

本发明复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法，综合考虑复合材料结构件的特点，利用经典层合理论计算个体的拉压刚度系数比和弯曲刚度系数比，代替有限元分析整个结构的强度和稳定性，极大地减少了计算量，提高了优化效率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法作进一步详细说明。

图1为本发明复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法的流程图。

图2为本发明复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法的铺层方式示意图。

图3为本发明设计方法应用实例中的各个样本点刚度系数分布图。

具体实施方式

本实施例是一种复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法。是以提高复合材料耐压壳体结构承压能力为目标的基于壳体刚度系数的铺层方式优化设计方法。首先构建铺层参数，其包括不同的铺层角度φi，铺层角度对应的铺层层数ni；建立目标函数来描述不同铺层方式所对应的刚度系数比与该最佳刚度系数比的接近程度，某个铺层对应的目标函数值越小，则代表该铺层对应的刚度系数比越接近最佳刚度系数比，即壳体性能越高；根据设计模型，利用遗传算法与经典层合理论，寻找到最佳铺层方式。利用经典层合理论计算个体的拉压刚度系数比和弯曲刚度系数比，代替有限元分析整个结构的强度和稳定性，极大地减少计算量，提高优化效率。

参阅图1、图2、图3，应用复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法对某型水下航行器壳体进行设计分析,具体步骤如下:

1.确定航行器的壳体结构基本形式；选取的圆柱形结构复合材料耐压壳体的内径为1000mm，总长度为20000mm，壳体厚度为16.5mm，总铺层数为50层，材料选取单向碳纤维环氧树脂预浸材料。

2.铺层模式选取为[(φ1)n1/(φ2)n2/(φ3)n3]s，下角标s表示铺层关于中性面对称，设计采用对称铺层，且总铺层数为50层，则有约束n1+n2+n3＝25，且ni的取值范围为自然数。

3.选择遗传算法作为优化算法；由于复合材料结构加工的工艺限制，铺层角度φi,为在特定的范围内选择，或±30°、或±45°；铺层层数ni为整数变量，复合材料耐压壳体铺层优化为一个离散优化问题；遗传算法是一种全局优化概率算法，不依赖梯度信息，且支持任意形式的目标函数和约束，无论是线性的还是非线性的，离散的还是连续的，适用于复合材料耐压壳体铺层设计优化。

4.由于复合材料结构加工的工艺限制，铺层角度φi,并不能任意选取，而是在一些特定的范围内选择，本实例中，铺层角度φi在{-85°,-80°…0°,5°…85°,90°}以5°为间隔的范围内任意选取；为保证优化设计的顺利进行，n1,2被约束在大于等于1小于等于12的整数范围内；根据公开的文献可得到同种几何尺寸和材料的复合材料耐压壳体的最佳拉压刚度系数比a11/a22为0.546341,最佳弯曲刚度系数比d11/d22为0.136958；为描述不同铺层方式所对应的刚度系数比与该最佳刚度系数比的接近程度，建立函数f(x)＝|a11/a22-0.546341|+|d11/d22-0.136958|，某个铺层对应的函数值越小，代表该铺层对应的刚度系数比越接近最佳刚度系数比，即稳定性越高。适应度函数选取为1/f(x)，以保证更加稳定的结构更可能遗传至下一代种群；种群大小设置为800，终止准则设置为200代，当优化程序运行之后，相邻几代种群的最佳个体和种群平均适应度没有明显变化或者迭代次数超过200代时，程序停止计算。10％的适应度最高的个体被视为精英个体并直接遗传至下一代，交叉过程用来交换和结合不同个体之间的基因，交叉因子设置为0.8；变异过程是用来提高种群的基因丰富度，防止程序被困在局部最优处，变异的概率设置为0.01；

该优化设计问题可总结为:

适应度函数:1/f(x)(φi,ni)

约束:φi∈{-85°,-80°…0°,5°…85°,90°}；

n1+n2+n3＝25，

n1,2∈{1,2,3…11,12}；

5.根据该流程开始迭代计算:首先初代种群中的个体由程序随机生成，利用经典层合理论，计算种群中每个个体的的拉压刚度系数比和弯曲刚度系数比，并代入适应度函数计算出每个个体的适应度以及种群的平均适应度，计算完成以后，利用所建立的收敛准则判断程序是否收敛，若不收敛，则将原种群中适应度最高的10％的个体遗传至新的种群，剩下的个体则进行选择、交叉、变异操作，生成的个体也全部纳入新的种群，至此新的种群已经形成，重新根据该方法，利用经典层合理论计算新一代种群中每个个体的拉压刚度系数比和弯曲刚度系数比，如此循环，直至连续若干代的最大适应度与种群平均适应度均无明显变化，或者种群迭代次数到达200次，则程序结束。适应度最大的个体所对应的铺层方式即为所求的承压能力最好的铺层方式。