本技术公开了一种考虑应力约束的纤维增强复合材料多尺度变刚度优化方法,涉及纤维增强复合材料多尺度变刚度优化设计领域,本发明采用正态分布纤维优化插值格式对纤维铺设角度进行插值,并将密度过滤应用到角度设计变量,实现了纤维增强复合材料多尺度变刚度优化设计,得到了具有连续纤维的优化设计结果;随后基于复合材料的Tsai‑Wu失效准则,采用P‑norm法对大规模单元应力约束函数进行凝聚,推导应力约束函数对设计变量的显式灵敏度公式,实现了考虑应力约束的纤维增强复合材料多尺度变刚度优化设计。本发明解决了现有方法优化求解困难的问题。
背景技术
航空航天类结构服役期间往往会面临极其严酷的工作环境,在过去的数十年间,纤维增强复合材料因其高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐高温、可设计等一系列优点,在航空航天、汽车、新能源装备领域得到日益广泛的应用。针对纤维增强复合材料的优化设计方法越来越多,但在设计阶段往往未将应力问题纳入考虑,往往需要反复对复合材料零部件进行有限元分析及力学实验进行验证,这样的方法耗时长,成本高。将结构应力纳入优化设计的考虑中,可以有效解决上述问题。开展考虑应力约束的纤维增强复合材料多尺度变刚度优化设计,主要存在以下难点:1) 应力约束数量会随着网格密度的增加而增加,大量的约束会导致优化算法求解困难;2) 离散结构优化方法容易导致纤维的不连续性,不利于后续进行生产制造;3) 复合材料力学理论及其失效准则复杂,目标函数及约束函数灵敏度推导存在困难;4) 结构的应力值与拓扑优化构型存在非线性关系,任意单元的应力大小与其相邻区域的密度变化密切相关,这会导致局部应力的震荡或者优化迭代过程的不收敛。
实现思路