考虑工艺的复合材料层合结构变刚度铺层优化设计

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：考虑工艺的复合材料层合结构变刚度铺层优化设计作者：杨竣博学科专业：飞行器设计指导教师：吴光辉宋笔锋2017年6月VariableStiffnessLay-upOptimizationofCompositeLaminatedStructuresByYangJun-boUndertheSupervisionofProfessorWuGuang-huiSongBi-fengADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpart

2、ialfulfillmentoftherequirementsForthedegreeofDoctorofPhilosophyinAircraftDesignXi’anP.R.ChinaJune2017摘要摘要纤维增强复合材料以其优异的力学特性和灵活的可设计性被广泛应用于薄壁结构中，尤其是对于重量敏感的航空航天领域。然而，设计灵活性带来的多变量、离散和多值等特点，导致复合材料层合结构设计比金属材料结构设计复杂的多、困难的多，往往需要借助现代优化设计方法完成此类设计工作。复合材料层合结构在优化设计过程中，需要根据结构所承受载荷的特性，在满足

3、刚度、强度等要求的基础上，寻找合理的铺层结构，以最大限度发挥复合材料的减重潜能。理想的层合结构突出表现为变刚度的铺层结构。为此，本文针对采用直纤维和曲纤维铺叠而成的层合结构，发展、提出了满足制造工艺要求的变刚度铺层优化设计方法，主要的内容包括：（1）提出了一种基于纤维连续性模型的铺层优化方法。针对多区域层合结构中存在的纤维连续性问题，在研究了现有纤维连续性模型的基础上，提出了丟层序列（PDS:plydropsequence）的概念，并以此构建了基于丟层序列的纤维连续性模型，实现了用向导、丟层序列和区域厚度对结构中所有区域铺层结构的参数化。

4、结合新模型的参数化方法，对遗传算法进行了针对性地改进，建立了基于该纤维连续性模型的铺层优化方法，其有效性通过一个经典算例得到了验证。新的铺层优化方法通过采用更为丰富的丟层规则同时保证了工艺上的纤维连续性和铺层结构的灵活性，为后续进行层合结构变刚度设计提供了优化平台。（2）分别研究了曲纤维轨迹和制造工艺对曲纤维层合板屈曲特性的影响。针对现有的线性变化纤维角度的局限性，提出了纤维角度分段线性变化的描述方法。通过对承受双向轴压载荷的理想曲纤维层合板屈曲特性的参数化分析，表明新的描述方法有利于提升承受复杂载荷层合板的屈曲特性。另一方面，针对理想曲

5、纤维层合板与实际的曲纤维层合板刚度分布不一致的问题，结合自动铺丝技术(AFP:autofiberplacement)的工艺特点，推导了用于确定曲纤维层合板有限元模型中角度分布和重叠缺陷位置的方法。在此基础上，通过有限元分析，对比分析了自动铺丝技术和连续丝束剪切技术(CTS:continuoustowshearing)对实际的纤维变角度层合板屈曲特性的影响，结果表明采用连续丝束剪切技术的曲纤维层合板更适合变刚度设计。这部分研究，为更好地设计采用曲纤维的实际变刚度层合结构奠定了基础。（3）采用并行计算技术对复合材料弹翼进行结构变刚度优化设计。

6、为了提高优化效率，构建了包含纤维连续性模型的并行遗传算法，并首先对采用直纤维的复合材料弹翼进行了铺层设计。另一方面，鉴于厚度变化有利于提升曲纤维层合板性能，将丟层机制引入到采用曲纤维的层合结构中，结合纤维连续性模型、曲纤维的工艺特性和并行遗传算法，提出了新的混合变刚度优化方法。同时，为了将在平面上定义的纤维轨迹映射I西北工业大学博士学位论文至蒙皮曲面上，构建了曲纤维在翼面上的轨迹规划方法和对应的横向曲率计算方法。最终，基于连续丝束剪切技术的工艺特性，用混合变刚度方法对采用曲纤维的复合材料弹翼进行了优化设计。通过对比上述两种设计方案，结果表

7、明新的混合变刚度方法能进一步提高材料利用率，可以给将来曲纤维增强的变刚度结构的应用提供参考。（4）提出了一种基于代理模型的铺层优化方法。针对实际结构的铺层设计所需计算量太大的问题，总结了现有近似优化方法的优劣，提出了新型的基于代理模型的直纤维层合结构铺层优化框架。为了构造基于几何因子的代理模型，根据几何因子可行空间的特殊性，构建了基于空间填充的试验设计方法。考虑到层合结构铺层优化问题的复杂性，将智能加点技术、动态代理模型技术和纤维连续性模型融入到优化框架之中，构建了一种兼顾精度、效率和工艺的铺层优化方法。最后，将该近似优化方法分别应用于数

8、值算例和复合材料螺旋桨的铺层设计，结果表明该方法适用于多区域直纤维层合结构的设计，能在满足设计要求的前提下，显著地减少铺层优化设计所需的计算量。本文在考虑纤维连续性工艺约束和曲纤维成型工艺的基