基于改进自适应遗传算法的层合板铺层顺序优化方法

针对复合材料层合板的铺层顺序优化,设计随适应度自适应变化的变异算子和交叉算子,提出了一种改进的自适应遗传算法。通过铺层顺序优化算例证明:与标准遗传算法相比,改进的自适应遗传算法在组合优化方面具有更好的稳定性、收敛性和运行效率。针对不同的设计变量个数,变异算子和交叉算子应选取不同的参数;当设计变量较多时,自适应遗传算法选取P_(c1)=0.9,P_(c2)=0.6,P_(m1)=0.19,P_(m2)=0.01具有更优的收敛效率。

复合材料层压结构铺层顺序优化设计特征提取算法

受在感知过程中抓住主要特征的启发,结合复合材料层压结构优化问题的特点,借鉴遗传算法、蚁群算法等模拟进化优化算法的流程,提出1种"特征提取"的优化算法。根据目标函数值f(→Xj)(j=1,2,…m)的大小,对相应的m个设计变量向量→Xj=(x1,j,x2,j,…,xi,j,xn,j)(j=1,2,…m)进行排序;在一定的"背景噪声"S下,根据"特征提取"指示向量P提取群组中较优方案的共同特征,生成m个新的设计变量→X′j。算例验证表明,所提出的算法是有效的。

无人机复合材料蒙皮区域铺层顺序优化及稳定性校核

基于某无人机复合材料机身蒙皮区域结构,以提升其承载能力为研究目的,采用有限元软件对其进行铺层顺序优化,并对碳纤维复合材料蒙皮区域优化前后的形变量、应力应变结果对比分析;通过蔡-希尔强度准则、强度比等计算结果,对优化前后的碳纤维复合材料结构进行破坏失效分析;利用模态结果对比分析铺层顺序优化前后复合材料结构的稳定性。基于力学拉伸试验对优化结果校核。试验结果表明:碳纤维机身蒙皮区域经过铺层顺序优化后,其形变量减小9.9%,应力减小0.6%,应变减小6.2%;通过强度准则判定,优化后的碳纤维复合材料结构承载能力提升16.1%;利用模态计算结果对比分析可得,优化后的结构更加具有稳定性。由此证明,此铺层顺序优化是合理可靠的。

考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化

提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法,系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式,考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响,引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库,以铺层参数为中间变量,利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法,构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现,将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法,本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明,采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法,在结构重量不变的前提下,屈曲载荷提高约17%,且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。

复合材料加筋板铺层优化设计的等效弯曲刚度法

借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,建立了一种复合材料加筋板铺层顺序优化设计算法。等效弯曲刚度法基于层合板的弯曲刚度与其失稳载荷一一对应的关系,将任意铺层顺序的层合板等效成一个只有8层的对称铺层的辅助层合板,通过优化辅助层合板,得到层合板的最优弯曲刚度参数,最后以获得的最优弯曲刚度参数为约束应用遗传算法进行铺层顺序优化,获得接近最优解的解答。算例表明,通过引入等效弯曲刚度法,实现了复合材料加筋板的铺层顺序优化设计,并且效果明显。

基于多岛遗传算法的自由曲面层合壳铺层优化

采用多岛遗传算法,以自振频率最大为优化目标,对自由曲面层合壳的铺层顺序进行优化研究。其中,自由曲面层合壳的几何形状通过非均匀有理B样条(NURBS)进行建模,结构有限元模型的创建和自振频率的计算通过ANSYS完成,多岛遗传算法通过软件Isight实现,并与ANSYS连接实现铺层顺序优化。最后,通过算例分别对正高斯、负高斯、正负高斯曲率自由曲面层合壳进行优化分析,获得了最优的铺层顺序。算例结果表明,提出的优化自由曲面层合壳铺层顺序方法是准确、有效的。

应用遗传算法优化设计机翼复合材料蜂窝夹层结构蒙皮

为提高无人机复合材料机翼蒙皮的强度,应用遗传算法优化设计了蜂窝夹层结构蒙皮的铺层。针对复合材料结构优化变量离散化的特点,设计了应用整数编码策略的遗传算法,并根据Tsai-Wu准则提出了适应度函数,参考复合材料的铺层原则给出了约束条件。然后,通过优化设计得到了最佳的蒙皮复合材料结构铺层方案。最后,通过有限元分析及静力试验验证了复合材料蜂窝夹层结构蒙皮设计的合理性。试验结果表明:左、右机翼翼梢的最大变形分别为116.02mm和105.36mm,小于性能要求的180mm。探伤测试显示机翼复合材料结构没有出现损坏,满足机翼结构的工程指标要求。此机翼结构的无人机已成功完成了首飞试验,验证了设计结果的可信及工程可用性。

具有复合层结构的谐波减速器柔轮的性能优化设计研究

针对谐波减速器的柔轮存在着易发生疲劳的问题,从复合层的本构关系出发,进行了复合材料铺层角和叠层次序的力学性能研究。提出了以铺层角度和铺层顺序为优化变量,Tsai-Wu材料失效准则为约束条件,单层层内应力最小为优化目标的数学模型,采用粒子群优化算法得到了最优的铺层角和叠层顺序。对采用优化设计后的谐波减速器进行了瞬态动力学分析,分析结果表明:与原结构相比,具有复合层结构柔轮的最大Von Mises应力降低了12.5%,最大应力位置由柔轮的齿根部变为柔轮齿圈内表面,在一定程度下可提高柔轮的使用寿命。

应用扰动广义微分求积法的复合材料层合板剪切屈曲分析与优化

广义微分求积(GDQ)法求解复合材料层合板剪切屈曲时存在计算精度差、计算振荡不收敛问题,研究发现该现象源于载荷矩阵存在奇异,为此,提出扰动GDQ法,通过扰动主对角线权重系数以改善载荷矩阵的奇异性来消除计算振荡。数值算例验证了扰动策略的有效性,实现复合材料层合板剪切屈曲问题的高效稳定求解。在此基础上,结合直接搜索模拟退火算法,开展了含剪切载荷的复合材料层合板铺层顺序优化。结果表明:剪切工况时对称复合材料层合板的优化铺层不受铺层数和铺设形式影响,优化铺层角随长宽比增大而趋于60°;而剪切与轴压组合工况下较小的剪切力能改善层合板屈曲性能,随着剪切力的增大,优化屈曲性能逐渐降低,优化铺层趋同于剪切工况。研究结果为复合材料层合板的剪切屈曲性能设计提供了参考。

复合材料加筋板结构的并行空间协同优化设计方法

提出了使用并行子空间协同优化设计方法对复合材料加筋板结构的布局参数和铺层顺序进行协同优化。该方法分为3步:(1)以筋条型式、数量、尺寸和铺层厚度为变量,考虑静强度和稳定性要求,建立3个并行的子优化问题,实现了布局优化;(2)以层合板的各铺层角作为设计变量,考虑层合板的制造和工艺约束,以等效弯曲刚度为中间变量,实现了复合材料加筋板的蒙皮和筋条的铺层顺序优化;(3)通过协调稳定性约束,实现综合优化。本文完成了一个典型算例,算例结果表明,该方法不仅合理而且有很好的优化效果。

复合材料加筋板结构的二级协同优化设计方法

针对复合材料加筋板结构的布局和铺层优化问题,发展了一种二级优化设计技术。第一级采用基于近似模型技术的布局优化方法,以筋条形式、个数、截面形状和铺层厚度作为设计变量,以结构质量最轻为目标函数,实现加筋板结构布局形式和截面尺寸的布局优化;第二级借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,考虑层合板的制造和工艺约束,以层合板的各铺层角作为设计变量,以层合板弯曲刚度系数与上一级优化所给最优弯曲刚度系数之间的误差最小为目标,实现了复合材料加筋板在固定铺层层数下的铺层顺序优化;在二级优化的基础上,通过协调稳定性约束,实现综合优化。算例表明:采用二级优化设计方法,可以很好地实现复合材料加筋板的布局优化设计。

碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板综合优化

采用多级优化方法对碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板进行优化设计,首先,采用拉丁超立方方法选取试验样本点,利用移动最小二乘法拟合近似代理模型,在代理模型基础上采用自适应响应面优化方法优化基本铺层厚度;然后,结合复合材料制造约束条件,利用Optistruct对铺层顺序进行优化,得到最佳铺层设计方案。经过多级优化设计后,钢板中心孔处应力分布更合理,最大Mises应力减小了56.6%。

无人机复合材料尾翼结构的优化设计

建立了无人机复合材料尾翼结构的分析和优化模型,在结构初始尺寸的基础上,首先以复合材料失效因子和金属结构许用应力为约束,开展了以结构质量最小为目标,以各部件厚度为设计变量的优化设计。在尺寸优化结果的基础上,采用等效弯曲刚度法优化得到了层合板的最优铺层顺序。优化结果表明:优化后尾翼的结构质量明显降低,静力计算结果满足设计要求。