一种复合材料热结构动力学优化设计方法

本发明属于材料结构优化，具体涉及一种复合材料热结构动力学优化设计方法。

背景技术：

1、现代航空航天技术飞速发展，飞行器的服役环境越来越严酷恶劣，尤其是高超飞行器的外壳结构通常面临上千度高温的考验，有时甚至可达2000℃以上，飞行器结构需完成飞行气动加热、再入大气层、高机动过载、超远程巡航等服役任务，因此除了要求具备超强承载、极端耐热、超高精度、超轻量化等特性外，其面临的动力学问题也越来越突出。传统的金属材料难以满足极端高温的服役环境，耐高温复合材料，如c/sic和改性的c/c复合材料的发展为高超飞行器热结构奠定了材料基础，然而其增强预制体的结构形式，如纤维体分比、编织角度、编织方式等均显著影响复合材料的热-机械性能。

2、目前主流的结构优化方法通常是面向单相材料，且优化的结构往往具有复杂的几何构型，难以直接应用于编织复合材料结构的优化设计；传统以结构固有频率最大为目标的优化模型面向常温结构具有较好的普适性，然而在优化高温热结构时难以得到满足工程需求的合理结构。文献simultaneous design of structural layout and discretefiber orientation using bi-value coding parameterization and volumeconstraint.(gao t.，zhang w.h.&duysinx p.struct multidisc optim 48，1075–1088(2013).)提出了一种双值编码参数化的方法来同时优化复合材料结构构型与纤维取向，将连续的纤维取向角进行离散，看成具有不同属性的材料，然后利用多材料优化的思想实现最优纤维取向的选择。这种跨尺度优化模型涉及的变量多，计算过程比较复杂，对计算机性能具有较高的要求。

3、为了寻求高性能、轻量化的编织复合材料热结构，以均匀化方法为技术手段建立复合材料宏观热-机械性能等效表征模型，实现宏观/细观/微观跨尺度的热力耦合分析，本发明通过参数化建模技术与神经网络方法建立编织参数与等效热-机械性能之间显式映射关系，构建适用于极高温与非均匀温度环境下评估热结构性能的指标函数，实现了宏观结构与编织工艺参数的协同优化设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决高温情况下，复合材料不能高性能、轻量化地协调动力学性能与热结构的承载性能的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种复合材料热结构动力学优化设计方法，包括以下过程：

4、基于复合材料等效性能参数库，应用神经网络拟合工艺参数与等效热-机械性能之间的映射关系，得到复合材料等效性能快速预测模型；

5、建立设计域，施加载荷和约束条件，依据有限元模型确定并初始化设计变量；

6、执行结构静力学响应分析，应用有理近似插值函数与复合材料等效性能快速预测模型计算设计变量对应的单元弹性矩阵，并组装成整体结构刚度矩阵；

7、执行结构稳态传热分析，应用有理近似插值函数与复合材料等效性能快速预测模型计算设计变量对应的单元传热矩阵，并组装成结构传热矩阵；

8、应用虚拟激励法和完全二次法分析复合材料热结构在平稳随机载荷作用下的动力学响应；

9、求解对应的方程组并计算结构响应函数及其关于设计变量偏导数向量，得到灵敏度信息；

10、应用梯度优化算法如优化准则法(oc)、移动渐近线法(mma)、序列线性规划(slp)、序列二次规划(sqp)等，对优化问题进行迭代求解，基于上述灵敏度信息更新设计变量，同时为了避免棋盘格现象以及获得清晰的结构构型，对更新后的设计变量中的拓扑变量进行密度过滤和投影，收敛条件为设计变量改变量的最大值小于0.001，若满足收敛条件，则当前迭代步的设计变量信息即为最终的优化结果；若不满足收敛条件，则跳转到执行结构静力学分析步骤重复计算直至达到收敛条件。

11、具体地，复合材料热结构在平稳随机激励作用下，在满足结构一定质量约束的前提下，通过同时设计复合材料工艺参数和宏观结构拓扑构型，使得结构关心自由度处位移响应均方根最小，本发明复合材料热结构动力学优化设计方法可以归纳为如下的数学优化问题：

12、find:χ＝{x1,x2,…,xn；vf；γ}

13、min:

14、s.t.:

15、0＜xmin≤xi≤1

16、30％≤vf≤60％

17、30°≤γ≤60°

18、式中，χ为设计变量，包含描述宏观材料布局的拓扑变量xi和编织工艺参数变量(νf，γ)，其中νf代表纤维体积分数、γ代表编织角。j(χ)为目标函数，由两部分组成，第一部分为结构关心自由度处位移响应均方根，用以衡量复合材料热结构动力学性能。ωa和ωb分别为随机激励功率谱起点和终点的圆频率，为描述关心自由度处位移响应功率谱密度矩阵；第二部分为机械应变能k为结构刚度矩阵，um为结构在机械载荷fm作用下的结构位移向量，满足平衡方程kmum＝fm。基于罚函数φ(t)对机械应变能cm进行惩罚，以控制结构自身承载刚度。m(χ)为该数学优化模型的质量约束函数，ρf和ρm分别代表纤维和基体材料的密度，vi为单元体积，为许用材料质量上限。同时为了避免刚度矩阵的奇异，将拓扑变量xi的下限设定为一个极小的正数xmin。

19、具体地，复合材料等效性能参数库的建立包括如下过程：提取工艺参数，构造参数化的代表体积元模型，建立参数化单胞模型；基于能量均匀化方法计算工艺参数对应的等效热-机械性能参数，并建立复合材料等效性能参数库。

20、具体地，神经网络包括径向基神经网络、bp网络；设计域的几何形状便于离散为映射网格，载荷和约束条件能够描述结构服役时的受力情况，设计变量为拓扑变量、纤维体积分数和编织角。

21、具体地，复合材料包括平面编织复合材料、机织复合材料、三维四向编织复合材料、三维五向编织复合材料、三维六向编织复合材料、三维七向编织复合材料。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果或者优点：

23、本发明提供的复合材料热结构动力学优化设计方法基于参数化建模技术和神经网络方法建立复合材料等效热-机械性能快速表征预测模型，显著提高了优化过程计算效率；

24、本发明提出了一种新的适用于高温环境下热结构优化问题的目标函数形式，有效协调了高温环境下复合材料动力学性能与结构承载性能之间的关系。

技术特征：

1.一种复合材料热结构动力学优化设计方法，其特征在于，包括以下过程：

2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述收敛条件为设计变量改变量的最大值小于0.001。

3.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述复合材料等效性能参数库的建立包括如下过程：提取工艺参数，构造参数化的代表体积元模型，建立参数化单胞模型；基于能量均匀化方法计算所述工艺参数对应的等效热-机械性能参数，并建立复合材料等效性能参数库。

4.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述更新设计变量后，对更新后的设计变量中的拓扑变量进行密度过滤和投影。

5.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述神经网络包括径向基神经网络、bp网络。

6.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述设计域的几何形状便于离散为映射网格，所述载荷和约束条件能够描述结构服役时的受力情况，所述设计变量为拓扑变量、纤维体积分数和编织角。

7.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述梯度优化算法包括优化准则法、移动渐近线法、序列线性规划、序列二次规划。

8.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述复合材料包括平面编织复合材料、机织复合材料、三维四向编织复合材料、三维五向编织复合材料、三维六向编织复合材料、三维七向编织复合材料。

技术总结
本发明提供一种复合材料热结构动力学优化设计方法，解决了复合材料结构在高温载荷下难以协调动力学性能与结构承载性能的问题，包括如下过程：建立复合材料等效性能参数库，基于该参数库构建复合材料等效性能快速预测模型，建立设计域，执行结构静力学响应分析和结构稳态传热分析，分析动力学响应，求解得到灵敏度信息，对优化问题进行迭代求解，重复计算直至达到收敛条件，当前迭代步的设计变量信息即为最终的优化结果。本发明提供的优化设计方法显著提高了优化过程计算效率，有效协调了复合材料在高温环境下动力学性能与结构承载性能之间的关系。

技术研发人员：朱继宏,周涵,朱鹏飞,张卫红,谷小军,高彤,王骏,孟亮
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15