【摘 要】
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复合材料具有高强度、高刚度、低密度等显著优势。因此,在航空、车辆、船舶等领域得到了广泛的应用。复合材料层合板的优化设计,需要不断修改层合板的设计变量,以得到较优的材料性能。传统的复合材料层合板优化设计中,每一次修改设计参数都需要进行完整的仿真分析计算,这将会极大的延长优化设计周期。重分析方法是一种利用初始结构分析所得到的信息,对修改后的结构响应进行快速计算,避免对相似结构进行多次完整的分析求解,从
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复合材料具有高强度、高刚度、低密度等显著优势。因此,在航空、车辆、船舶等领域得到了广泛的应用。复合材料层合板的优化设计,需要不断修改层合板的设计变量,以得到较优的材料性能。传统的复合材料层合板优化设计中,每一次修改设计参数都需要进行完整的仿真分析计算,这将会极大的延长优化设计周期。重分析方法是一种利用初始结构分析所得到的信息,对修改后的结构响应进行快速计算,避免对相似结构进行多次完整的分析求解,从而提高计算效率的方法。本文针对复合材料层合板结构优化设计中求解效率低的问题,本文引入重分析方法来代替完整的有限元仿真分析,对修改后的结构进行快速分析求解。本文的主要研究内容如下:(1)根据单层板的本构关系,经典层合板理论以及一阶剪切变形理论建立了复合材料层合板模型;基于一阶剪切变形理论进行了层合板有限元理论分析推导,主要包括四边形单元坐标映射、刚度和质量矩阵计算。使用MATLAB编写了有限元分析程序,实现了复合材料层合板静力分析算例,与ABAQUS求解结果对比,相对误差很小,验证了程序的准确性,同时研究了不同单元规模对有限元迭代收敛的影响。(2)根据组合近似法和逆迭代法求解结构模态的基本理论,对结构进行静力分析、模态分析。引入移轴法来提高迭代收敛速率。使用MATLAB编写了有限元模态分析程序和重分析方法程序,使用三个算例验证了程序的准确性和重分析方法的计算效率。(3)引入差分进化算法到复合材料层合板进行结构优化设计,引入新的突变策略和突变策略选择方法,提高传统DE算法的搜索能力和收敛速率;引入重分析方法到差分进化算法中,来代替完整的有限元分析方法,提高整体算法的计算效率;进行重分析方法的基向量选取对计算精度影响的研究,同时为了避免累积误差造成求解结果的不精确,规定一定迭代次数后对结构进行一次完整的有限元分析,以此来消除累积误差;用两个数值算例比较基于重分析的自适应差分进化算法和基于有限元方法的差分进化算法的收敛速率和运行结果,验证了所提出算法能够提高复合材料层合板结构优化设计的效率。
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