如今，航空航天等领域对结构的轻量化设计愈发重视，由碳纤维增强复合材料缠绕而成的框架结构以其优越的材料、结构性能受到越来越广泛的应用，本文基于结构与材料多尺度优化的概念，以结构固有频率为约束，考虑制造性约束，对纤维增强复合材料框架结构进行结构/材料一体化优化设计。 基频约束下复合框架结构的拓扑优化设计中，当考虑以梁的横截面积作为设计变量时，优化问题的可行域由多个不连通的子域组成，而拓扑优化问题的全局最优解往往位于退化的低维子域端点上，基于梯度信息的优化算法难以找到理想的优化解。本文通过推导复合材料圆管模型的等效刚度，将各向同性材料框架结构中解决动力奇异性问题的PLMP(PoLynomial Material interPolation)方法引入复合材料框架优化中，并针对其的局限性，提出了改进的优化求解策略，解决了传统算法中，优化问题的基频约束下限值受限于PLMP参数大小的困难，增大了基频约束的取值范围。建立了以宏观面积作为设计变量，基频为约束，结构质量为目标函数的纤维增强框架结构优化模型。 考虑以纤维缠绕角度为微观设计变量，采用实际工程中常用的[0°,45°,-45°,90°]为四种备选缠绕角度，同时考虑纤维增强复合材料铺层设计中的关键制造性约束，如连续性约束，10%约束，平衡约束，破坏容忍度约束，对称性约束等，在宏观上，采用改进的PLMP求解策略，以复合材料管件横截面积作为设计变量，在微观上，采用离散复合材料DMO(Discrete Material Optimization)方法，以离散纤维缠绕角度为微观设计变量，实现了基频约束下的复合材料框架结构的轻量化设计。优化结果表明，改进的PLMP优化求解策略可以有效地有效的解决基频约束下复合材料框架结构中的奇异性困难，与传统尺寸优化相比，删去多余管件，消除优化迭代过程中的不稳定现象，有效地实现了复合材料框架结构的拓扑优化。 同时，在宏观优化变量中考虑制造工艺，以管件横截面积的选择作为宏观离散设计变量，建立了宏微观均考虑制造性约束的多截面多材料复合材料框架结构一体化优化模型，以结构基频为约束，以最小结构质量为目标函数开展了优化设计，在优化中采用了不同的惩罚策略，比较了不同惩罚参数对优化结果的影响。
展开▼
