一種基于隨機(jī)正態(tài)分布的復(fù)合材料層壓板鋪層優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)計(jì)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于隨機(jī)正態(tài)分布的復(fù)合材料層壓板鋪 層優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為直升機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式，復(fù)合材料層壓板通過適當(dāng)?shù)匿亴釉O(shè)計(jì)，可以提高其 承載能力。復(fù)合材料凸緣結(jié)構(gòu)可以當(dāng)作一長邊自由、另一長邊簡支的長層壓板處理。在實(shí) 際應(yīng)用中，關(guān)于層壓板鋪層方式的選擇，要考慮鋪層角、鋪層比例、鋪層順序等諸因素。從工 藝條件的限制和簡化設(shè)計(jì)的角度考慮，鋪設(shè)角度通常在η/4角度范圍內(nèi)選擇。因此，復(fù)合 材料層壓板的鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量為鋪層順序，屬于離散變量的優(yōu)化問題，涉及離散 設(shè)計(jì)變量多、約束條件多且復(fù)雜、存在多個(gè)極值點(diǎn)等難點(diǎn)，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法求解非常 困難。目前，在復(fù)合材料層壓板鋪層優(yōu)化方面，應(yīng)用較廣的是以遺傳算法為代表的進(jìn)化算法 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代智能優(yōu)化算法。遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法適用性和通用性比數(shù)學(xué)規(guī)劃法 強(qiáng)，但是計(jì)算量卻非常大，收斂慢，計(jì)算效率相對比較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種基于隨機(jī)正態(tài)分布的復(fù)合材料層壓板鋪層優(yōu)化方法，以解決或至 少減輕【背景技術(shù)】中所存在的計(jì)算量大、收斂慢的問題。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：提供一種基于隨機(jī)正態(tài)分布的復(fù)合材料層壓 板鋪層優(yōu)化方法，包含以下步驟：步驟一：根據(jù)各個(gè)鋪層角度的比例要求，確定基本鋪 層序列；步驟二：對每一種鋪層序列進(jìn)行數(shù)字編碼，然后采用正態(tài)分布函數(shù)對基本鋪層 序列進(jìn)行隨機(jī)變換和譯碼，得到下一輪迭代的新鋪層序列；步驟三：依據(jù)目標(biāo)函數(shù)公式
確定基本鋪層序列最優(yōu)解；其中，f(x)為 目標(biāo)函數(shù)，即復(fù)合材料層壓板的軸壓承載能力，為軸壓壓損載荷、N"為屈曲載荷、 極限壓縮載荷，g_j(X)，j= 1，2,…m，為約束函數(shù)，Xe{RN丨Xρχ2，…，χη，鋪層角度構(gòu)成 的向量};步驟四：比較基本鋪層序列的最優(yōu)解，選取最大值作為最優(yōu)鋪層。
[0005] 優(yōu)選地，所述步驟一縱的各個(gè)鋪層角度的比例要求為，0°、45°、-45°、90°四種 鋪層中的每一種鋪層比例至少要占10%，其中0°鋪層介于25%-40%之間，±45°鋪層介 于40%-70%之間，90°鋪層介于10% -25%之間。
[0006]優(yōu)選地，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)各個(gè)鋪層角度的比例要求，得到0°、 45°、-45°、90°鋪層的鋪層數(shù)目和組合情況，在鋪層組合確定以后，進(jìn)行基本鋪層序列的 設(shè)置；當(dāng)鋪層數(shù)為偶數(shù)時(shí)，按照±45°、0°和90°自外向內(nèi)鋪設(shè)；當(dāng)鋪層數(shù)為奇數(shù)層時(shí)，按 照±45°、0°和90°自外向內(nèi)鋪設(shè)，鋪層數(shù)為奇數(shù)的鋪層角度放在中間層。
[0007]優(yōu)選地，所述步驟二中應(yīng)滿足：采用0°、45°、-45°、90°的標(biāo)準(zhǔn)鋪層；避免使用 同一方向的鋪層組；對于0°、±45°的鋪層，同向鋪層數(shù)目小于等于4層，對于90°的鋪 層，同向鋪層數(shù)目小于等于2層；從穩(wěn)定性和耐沖擊的角度考慮，最外層采用±45° ;鋪層 應(yīng)成對稱分布。
[0008] 優(yōu)選地，所述步驟三中的目標(biāo)函數(shù)包含兩種類型，類型一為軸壓局部屈曲載荷，
，其中，N"為單位寬度上的軸壓屈曲載荷，b為凸緣的 寬度，L為凸緣的長度，Dn、D66為層壓板的彎曲剛度系數(shù)；類型二為壓損載荷，計(jì)算公式為
其中，為層壓板的極限壓縮載荷，N為單位寬度上的軸壓 壓損載荷。
[0009] 優(yōu)選地，在步驟一之前，考慮到鋪層的對稱性及最外兩層的鋪層角度，為減少求解 次數(shù)，實(shí)際上設(shè)計(jì)變量的數(shù)目為
其中CELLC)為向上取整函數(shù)，N為鋪層 數(shù)。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟三中的約束函數(shù)應(yīng)滿足以下條件：采用0°、45°、-45°、90° 的標(biāo)準(zhǔn)鋪層；避免使用同一方向的鋪層組；對于0°、±45°的鋪層，同向鋪層數(shù)目小于等 于4層，對于90°的鋪層，同向鋪層數(shù)目小于等于2層；0°、45°、-45°、90°四種鋪層 中的每一種鋪層比例至少要占10%，其中0°鋪層介于25%-40%之間，±45°鋪層介于 40% -70%之間，90°鋪層介于10% -25%之間；從穩(wěn)定性和耐沖擊的角度考慮，最外層采 用±45° ;鋪層應(yīng)成對稱分布。
[0011] 本發(fā)明的有益效果在于：本專利的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用隨機(jī)正態(tài)分布函數(shù)重構(gòu)基本鋪 層序列，在滿足約束條件的情況下，快速獲得最優(yōu)鋪層序列?？梢垣@得復(fù)合材料層壓板凸緣 的最佳軸壓承載能力，降低結(jié)構(gòu)重量比率，置信度高、收斂迅速。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明的基于正態(tài)分布的復(fù)合材料層壓板鋪層優(yōu)化方法的流程圖；
[0013] 圖2是基于本發(fā)明的基于正態(tài)分布的復(fù)合材料層壓板鋪層優(yōu)化方法得到的迭代 次數(shù)概率分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 為使本發(fā)明實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中 的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。在附圖中，自始至終相同或類 似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實(shí)施例是本發(fā)明 一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用 于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。下 面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0015] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"中心"、"縱向"、"橫向"、"前"、"后"、"左"、 "右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底" "內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方 位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元 件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的 限制。
[0016] 如圖1所述，一種基于隨機(jī)正態(tài)分布的復(fù)合材料層壓板鋪層優(yōu)化方法， 包含以下步驟：步驟一：根據(jù)各個(gè)鋪層角度的比例要求，確定基本鋪層序列；步驟 二：對每一種鋪層序列進(jìn)行數(shù)字編碼，然后采用正態(tài)分布函數(shù)對基本鋪層序列進(jìn) 行隨機(jī)變換和譯碼，得到下一輪迭代的新鋪層序列；步驟三：依據(jù)目標(biāo)函數(shù)公式
確定基本鋪層序列最優(yōu)解；其中，f(x)為 目標(biāo)函數(shù)，即復(fù)合材料層壓板的軸壓承載能力，為軸壓壓損載荷、N"為屈曲載荷、 極限壓縮載荷，g_j(X)，j= 1，2,…m，為約束函數(shù)，Xe{RN丨Xρχ2，…，χη，鋪層角度構(gòu)成 的向量};步驟四：比較基本鋪層序列的最優(yōu)解，選取最大值作為最優(yōu)鋪層。
[0017]步驟一縱的各個(gè)鋪層角度的比例要求為：0°、45°、-45°、90°四種鋪層中 的每一種鋪層比例至少要占10%，其中0°鋪層介于25%-40%之間，±45°鋪層介于 40% -70%之間，90°鋪層介于10% -25%之間。
[0018] 可以理解的是，每種鋪層角度的比例可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。例如，在一個(gè)備選實(shí) 施例中，0°鋪層的比例為25%，±45°鋪層的比例為65%，90°鋪層的比例為10%;在另 一個(gè)備選實(shí)施例中，0°鋪層的比例為40%，±45°鋪層的比例為40%，90°鋪層的比例為 20%;還可以設(shè)定為0°鋪層的比例為30%，±45°鋪層的比例為45%，90°鋪層的比例為 25%〇
[0019]在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)各個(gè)鋪層角度的比例要求，得到0°、45°、-45°、90° 鋪層的鋪層數(shù)目和組合情況，在鋪層組合確定以后，進(jìn)行基本鋪層序列的設(shè)置；當(dāng)鋪層數(shù)為 偶數(shù)時(shí)，按照±45°、0°和90°自外向內(nèi)鋪設(shè)；當(dāng)鋪層數(shù)為奇數(shù)層時(shí)，按照±45°、0°和 90°自外向內(nèi)鋪設(shè)，鋪層數(shù)為奇數(shù)的鋪層角度放在中間層。
[0020] 步驟二中應(yīng)滿足：采用0°、45°、-45°、90°的標(biāo)準(zhǔn)鋪層；避免使用同一方向的 鋪層組；對于0°、±45°的鋪層，同向鋪層數(shù)目小于等于4層，對于90°的鋪層，同向鋪層 數(shù)目小于等于2層；從穩(wěn)定性和耐沖擊的角度考慮，最外層采用±45