基于两层排序遗传算法的复合材料层合板铺层优化设计

摘要

复合材料不仅具有较高的比强度和比弹性模量，而且可以在一定范围内自由地改变机械性能。作为飞行器基本组成部分的复合材料层合板，可以通过针对其铺层的优化设计，可大大提高其承载能力。但在实际情况下，复合层合板的铺层优化设计是非常复杂的：一方面，在求解过程中，将连续优化问题转化成离散优化问题后，还需要使优化结果适应生产过程的要求，并且存在调整后所得结果不可行或非最优的情况。另一方面，由于存在大量的设计变量和复杂的约束条件，使得它比一般的优化设计更加困难。同时，虽然遗传算法是处理离散优化问题的理想算法，但它需要占用大量的计算资源，严重影响了计算的效率和可靠性。 针对上述状况，本文基于层合板参数优化法和传统遗传算法，提出一种新的铺层优化方法——基于两层遗传算法的层合板参数优化法。将此方法应用于翼盒模型屈曲状态下的铺层优化设计，并对此方法进行了分析与验证。 首先，在层合板屈曲分析的理论研究中，分别根据经典层合板理论和层合板参数理论，利用有限元分析软件ANSYS进行数值模拟实验，求解单块板屈曲状态下的临界屈曲因子，并对比两种结果，证实了基于层合板参数理论、利用ANSYS软件进行层合板力学分析及全局层面优化的有效性。 其次，在对层合板参数优化方法的改进中，对比了现有的优化模型和优化策略，明确了改进方向为缩小连续优化和离散优化之间的差距，并在离散优化时使铺层排序方式更加灵活和高效，从而提出了一种基于两层遗传算法的层合板参数优化方法。 然后，在基于铺层参数的连续优化中，利用APDL语言建立翼盒模型的几何模型和优化模型，完成连续铺层优化，找出能承受最大屈曲载荷的铺层厚度，并与松弛约束条件下所得优化结果对比，发现在严格遵循各项约束条件情况下所得铺层总厚度并未大幅度增长，但完全符合制造和设计需求，更适用于实际生产情况。 最终，在基于铺层角度的离散优化中，基于所提出的两层排序遗传算法，对给定厚度的层合板进行铺层排序的离散优化，将实验结果与层合板参数优化法中原结果相对比，证实了所提出排序算法的灵活性。

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摘 要

Abstract

目 录

1.绪论

1.1课题研究背景与意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究目的及意义

1.2国内外相关研究综述

1.2.1复合材料层合板的优化设计

1.2.2 Blending模型

1.3本文主要研究内容

1.4本文结构安排

2.复合材料层合板的屈曲分析

2.1基本理论

2.1.1变形分析

2.1.2内力分析

2.1.3弹性特征分析

2.1.4稳定性分析

2.1.5正交对称层合板的屈曲

2.2层合板参数理论

2.3数值实验与分析

2.3.1基于经典层合板理论的数值实验

2.3.2基于层合板参数法的数值实验

2.4本章小结

3.基于两层遗传算法的层合板参数优化方法

3.1引言

3.2优化方法对比分析

3.2.1优化模型

3.2.2优化策略

3.2.3约束处理方式

3.2.4改进方向

3.3总体方案

3.3.1连续优化法

3.3.2离散优化法

3.3.3实施流程

3.4本章小结

4.基于铺层参数的连续优化

4.1引言

4.2优化模型与优化算法

4.2.1几何模型

4.2.2物理参数

4.2.3梯度法

4.3数值实验与分析

4.3.1初值的带入、求解和分析

4.3.2优化计算与分析

4.4本章小结

5.基于铺层角度的离散优化

5.1引言

5.2两层排序遗传算法

5.2.1传统遗传算法

5.2.2两层排序遗传算法

5.3数值实验与分析

5.3.1数值实验

5.3.1结果分析

5.4本章小结

6.全文总结及展望

6.1全文总结

6.2展望

致 谢

参考文献