復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案研究

陳智有

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

近幾年，為了提升復(fù)合材料的使用性能，提出了很多基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案。例如：等強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計，主要是在遺傳算法的基礎(chǔ)之上，就那些鋪層順序、多級等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。但是，在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計的過程中，由于設(shè)計變量和約束條件角度，函數(shù)較為復(fù)雜，對復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案的展開，會帶來不同程度上的影響。因此，在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化的過程中，需要了解常見基礎(chǔ)性理論，根據(jù)其理論展開設(shè)計，這樣才能保證復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)其綜合效益，提升復(fù)合材料的質(zhì)量和使用性能。

1 復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計理論

在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計的過程中，由于環(huán)節(jié)相對較多，需要將設(shè)計細(xì)化到每一個細(xì)節(jié)中。同時，一定要注重載荷狀態(tài)、材料、單元結(jié)構(gòu)、鋪層系數(shù)等方面，這樣才能保證復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性，具體的內(nèi)容可以從以下幾個方面展開。

（1）需要將設(shè)計劃分成區(qū)域，劃分完成以后再進(jìn)行設(shè)計。

（2）在設(shè)計的過程中，一般情況下是采用鋪層系數(shù)的角度為0/±45/90，并且需要根據(jù)合理的比例參數(shù)，進(jìn)行鋪層厚度的優(yōu)化。同時，在這樣的情況下，是不需要過于考慮鋪層系數(shù)的。

（3）各項材料一定要屬于同性、等效材料，避免復(fù)合材料的使用性能受到影響。

（4）通常情況下使用有限元分析的方式，可以根據(jù)相應(yīng)的公式，展開復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計，以此保證其質(zhì)量，公式為：，其中公式中wi表示為第i區(qū)域材料的重量；ρi表示為第i區(qū)域材料的密度；ti表示為第i區(qū)域材料的厚度；si表示為第i區(qū)域材料的面積；W表示結(jié)構(gòu)的總重量。

2 復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化措施

需要采取合理的設(shè)計方式，才能保證復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案的質(zhì)量，下面就對復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化的相關(guān)措施，展開分析和闡述。

（1）區(qū)域劃分。由于復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計角度復(fù)雜，通常情況下有多個鋪層坐標(biāo)系，對于每一個鋪層坐標(biāo)系，需要劃分成一個一個獨(dú)立的區(qū)域，并且在區(qū)域內(nèi)完成設(shè)計工作，這樣可以將設(shè)計工作細(xì)化。同時，在設(shè)計的過程中，需要將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承受荷載、材料、類型、鋪層系數(shù)等作為重點(diǎn)考慮對象，為復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案質(zhì)量的提升，給予基礎(chǔ)性的保證。

（2）模型的確定。在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計的過程中，需要對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行確定，但是需要明確設(shè)計變量、約束條件的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)各項參數(shù)構(gòu)建復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)模型，其模型如下：

minf(x)；

s.t.u＜10；

c＜1。

其中：f(x)=m=f(lt，lw，lb，nt，nw，nb)；

u=g1(lplw，lb，npnw，nb，PpPw，Pb)；

c=g2（lplw，lb，npnw，nb，PpPw，Pb）。

同時，針對文本表達(dá)方式，可以從設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計變量、約束條件等方面展開，其內(nèi)容為：

設(shè)計目標(biāo)：m=f（lt，lw，lb，nt，nw，nb）→ min；

設(shè)計變量：lt，lw，lb，nt，nw，nb，Pt，Pw，Pb；

約束條件：u=g1（lt，lw，lb，nt，nw，nb，Pt，Pw，Pb）＜10；

c=g2（lt，lw，lb，nt，nw，nb，Pt，Pw，Pb）＜1。

這樣可以便于后續(xù)設(shè)計工作的展開。

（3）一級優(yōu)化。需要針對復(fù)合材料基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度系數(shù)展開設(shè)計，例如：針對復(fù)合材料基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較薄的情況，需要滿足標(biāo)注荷載系數(shù)，對儲存的應(yīng)變能進(jìn)行設(shè)計和計算，其公式為：。

同時，在設(shè)計的過程中，若是結(jié)構(gòu)剛度相對較大，那么應(yīng)變和移位就會產(chǎn)生一定的變化，這樣可以在一定程度上降低外界的影響，保證復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案質(zhì)量。另外，在設(shè)計的時候，可以利用有限元的方式，判斷復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計不同區(qū)域的應(yīng)變能力。

但是，在有限元方式設(shè)計和計算的過程中，需要利用相應(yīng)的公式，其公式為：，其中公式中：為第i個單元第j層的剛度矩陣；為第i個單元第j層應(yīng)變；si為i個單元的面積；tij為第i個單元第j層的厚度。

（4）第二級優(yōu)化。其實(shí)，第二級優(yōu)化是需要基于第一級優(yōu)化的基礎(chǔ)之上，對鋪層角度進(jìn)行固定，并且將結(jié)構(gòu)質(zhì)量作為函數(shù)目標(biāo)，將各個鋪層厚度作為設(shè)計變量，這樣對結(jié)構(gòu)鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。同時，在設(shè)計的過程中，利用有限元方式，根據(jù)相應(yīng)的公式，，其中ρk為第k區(qū)域材料的密度；tkj是第k區(qū)域第j層的厚度；Wk為第k區(qū)域的結(jié)構(gòu)重量，這樣才能保證各個方面設(shè)計的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)良好的綜合效益。但是，在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計的過程中，由于強(qiáng)度相對較高，需要進(jìn)行相應(yīng)的計算，這樣可保證鋪層系數(shù)相對較小。同時，一定要分析復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計的各項性能，保證其強(qiáng)度滿足復(fù)合材料的使用需求。另外，需要將剛度和結(jié)構(gòu)重量作為重點(diǎn)考慮對象，保證兩者的平衡性，這樣才能保證復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案的質(zhì)量，進(jìn)而提升其使用價值，為相關(guān)行業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 直升機(jī)行業(yè)復(fù)合材料應(yīng)用

復(fù)合材料在我國民用直升機(jī)行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，隨著復(fù)合材料的發(fā)展，復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計的優(yōu)化方案也在同步發(fā)展，以國際上最先進(jìn)的空客350、波音787的復(fù)材設(shè)計為代表，優(yōu)化方案的研究極大的提高了加工效率和材料利用率，還使零部件的制作更加靈活，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了大幅度提升。國內(nèi)復(fù)合材料起步較晚，技術(shù)和應(yīng)用上還不夠成熟，對于復(fù)合材料的基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計還比較薄弱。復(fù)合材料作為航空中一項重要的材料，本文就以直升機(jī)行業(yè)復(fù)合材料優(yōu)化方案設(shè)計研究過程中應(yīng)注意的方面展開論述，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）主要是根據(jù)航空復(fù)合材料的性質(zhì)以及特點(diǎn)，利用相關(guān)的分析軟件對航空復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，并且形成數(shù)據(jù)庫。目前已經(jīng)通過大量材料基礎(chǔ)性能試驗(yàn)和理論計算分析，對復(fù)合材料的力學(xué)性能、密度、厚度、含膠量、成型方法等積累了大量數(shù)據(jù)，初步形成了復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫，可供優(yōu)化考慮。

（2）航空復(fù)合材料與普通復(fù)合材料有著一定區(qū)別，使用已經(jīng)建成的數(shù)據(jù)庫，對航空復(fù)合材料的承載力進(jìn)行計算，并且分析其功能是否滿足航空發(fā)展的需求。目前優(yōu)化的方法，主要還是通過理論計算，通過有限元軟件進(jìn)行建模，主要考慮結(jié)構(gòu)中不同復(fù)材鋪層的層數(shù)、鋪貼順序，部分區(qū)域的鋪層加強(qiáng)、剛度強(qiáng)度等方面要求，同時根據(jù)不同情況對各個階級設(shè)計進(jìn)行有限元分析，其目的就是保證航空復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計的準(zhǔn)確性。

4 發(fā)展展望

復(fù)合材料在我國民用直升機(jī)行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，并且為了實(shí)現(xiàn)良好的綜合效益，逐步對復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。同時，近幾年為了得到更好的發(fā)展，需要對其發(fā)展形式進(jìn)行展望，這樣有利于后期發(fā)展進(jìn)程的展開，具體的內(nèi)容如下。

（1）在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計的過程中，需要對其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析，逐漸開發(fā)一些性能相對較好的材料。

（2）需要利用相應(yīng)的軟件對復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計方案進(jìn)行處理。但是，在設(shè)計的過程中，要求軟件對用戶截面和圖像處理等方面具有良好的性能，這樣可以對復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計方案進(jìn)行檢測和評估，以此保證復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計方案的質(zhì)量，避免一些問題的產(chǎn)生。

（3）需要將各個方面有效結(jié)合在一起，并且利用相應(yīng)的計算公式，提升其設(shè)計結(jié)果，保證復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案的質(zhì)量。同時，在設(shè)計的過程中，需要將一些內(nèi)容，例如：設(shè)計變量、荷載、剛度等方面作為重點(diǎn)考慮對象，并且保證各個方面的平衡性，這樣才能有效提升復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案的質(zhì)量，逐步促進(jìn)其發(fā)展進(jìn)程。

（4）復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案逐漸朝綜合方向發(fā)展，主要是因?yàn)檫@樣可以有效提升復(fù)合材料的綜合性能，提升其使用價值，為其行業(yè)的發(fā)展，給予基礎(chǔ)性的保證和支持。

根據(jù)以上的綜合論述，得出以下2個結(jié)論：

（1）在明確復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計原理的基礎(chǔ)之上，需要從不同方面和角度展開設(shè)計，對復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方案進(jìn)行完善，保證其質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)良好的綜合效益。

（2）本文在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計完成以后，對其在民用直升機(jī)領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)行了展望，這樣主要是明確其發(fā)展方向，促使各個行業(yè)得到很好的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。