复合材料层合板基于可靠性的优化设计与遗传算法

摘要

近年来，结构的优化设计方法得到了迅速的发展，特别是将优化设计方法与系统可靠性理论相结合而形成的可靠性优化设计方法，已成为结构优化设计的重要发展方向。基于可靠性的结构优化设计较之传统的优化设计更为科学合理，它可明显提高设计质量和获得较好的经济效益。在基于可靠性的复合材料层合板结构优化设计中，通常是把对层合板结构的可靠度要求结合到优化问题的目标函数内，即在一定的结构重量或费用条件下，通过调整层合板结构参数使得结构系统的可靠度最大。这种基于可靠性的结构优化设计可明显地提高复合材料结构的设计质量，使得复合材料结构既安全可靠又经济合理。判断层合板破坏的准则有首层失效准则（FPF）和最终层破坏准则（LPF）。一般情况下，在远低于最终层破坏强度的应力水平下，就发生首层失效。有些情况下，采用首层失效准则来评价结构的可靠性过于保守，因此在一些对轻量化要求较高的结构（如飞机结构）中最终层破坏强度成为衡量结构可靠性的一个重要的指标。如何根据这一准则来评价系统（结构）的可靠性，以及研究载荷比、材料性能对结构可靠性的影响具有重要的意义。基于此本文进行了以下几个方面的研究：1、 对结构的可靠性和基于可靠性的优化设计问题进行了较系统的概括和评述，特别是关于复合材料层合板结构的可靠性优化设计研究，在综合分析研究现况和进展的情况下，提出了进一步研究的方向。2、 建立复合材料层合板的结构可靠性分析模型。详细阐述了结构可靠度理论，采用一次二阶矩法（FORM）分析了复合材料结构中单层板的失效概率，系统失效概率的计算则分别基于首层失效假定和最终层失效假定，在基于最终层失效假定的系统可靠性分析中，首先分析系统的主要失效序列，然后通过系统可靠性理论来评估系统的可靠度。3、 分析复合材料层合板结构的可靠性优化设计问题。在结构可靠性分析的基础上，进一步提出了复合材料结构的可靠性优化设计问题：以系统可靠性指标最大为目标，对层合板结构参数进行优化设计。采用遗传算法分析了复合材料的可靠性优化设计问题。在优化层合结构单个参数的基础上，进一步研究了利用遗传算法对多个层合参数的优化设计问题。并通过和传统优化算法的比较，表明遗传算法应用于复合材料可靠性优化的可行性和其不可替代的优越性。