復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案之研究

陳智有

摘 要：復(fù)合材料主要是由金屬材料、陶瓷材料、高分子材料等組成，并且經(jīng)過(guò)復(fù)合工藝，使各項(xiàng)材料從性能、功能等方面相互彌補(bǔ)，以此保證復(fù)合材料的質(zhì)量和使用效果。但是，在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于過(guò)程較為復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一些細(xì)節(jié)上的偏差，影響其綜合效益。因此本文針對(duì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)理論，對(duì)復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案進(jìn)行了研究，對(duì)復(fù)合材料在民用直升機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用與展望進(jìn)行了分析，其目的就是保證綜合效益，促進(jìn)民用直升機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;基礎(chǔ)設(shè)計(jì);綜合效益

中圖分類號(hào)：V221.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0098-02

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(jì)優(yōu)化方案。例如：等強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是在遺傳算法的基礎(chǔ)之上，就那些鋪層順序、多級(jí)等優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是，在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)變量和約束條件角度，函數(shù)較為復(fù)雜，這樣對(duì)復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的展開(kāi)，就會(huì)帶來(lái)不同程度上的影響[1]。因此，在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，需要了解常見(jiàn)基礎(chǔ)性理論，根據(jù)其理論展開(kāi)設(shè)計(jì)，這樣才能保證復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jì)理論

在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于環(huán)節(jié)相對(duì)較多，需要將設(shè)計(jì)細(xì)化到每一個(gè)細(xì)節(jié)中。同時(shí)，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(jì)優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性，具體的內(nèi)容可以從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。

（1）需要將設(shè)計(jì)劃分成區(qū)域，劃分完成以后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。（2）在設(shè)計(jì)的過(guò)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(shí)，在這樣的情況下，是不需要過(guò)于考慮鋪層系數(shù)的。（3）各項(xiàng)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[2]。（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(kāi)復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，以此保證其質(zhì)量，公式為：W=wi=ρitisi，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(jì)優(yōu)化措施

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

2.1 區(qū)域劃分

由于復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)角度復(fù)雜，通常情況下有多個(gè)鋪層坐標(biāo)系，對(duì)于每一個(gè)鋪層坐標(biāo)系，需要?jiǎng)澐殖梢粋€(gè)一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，并且在區(qū)域內(nèi)完成設(shè)計(jì)工作，這樣可以將設(shè)計(jì)工作細(xì)化。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過(guò)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(duì)象，為復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案質(zhì)量的提升，給予了基礎(chǔ)性的保證。

2.2 模型的確定

在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行確定，但是需要明確設(shè)計(jì)變量、約束條件的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)構(gòu)建復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型，其模型如下[3]：

minf（x）;

s.t.u<10;

c<1。

其中：f（x）=m=f（lt，lw，lb，nt，nw，nb）;

u=g1（lt，lw，lb，nt，nw，nb，pt，pw，pb）;

c=g2（lt，lw，lb，nt，nw，nb，pt，pw，pb）。

同時(shí)，針對(duì)文本表達(dá)方式，可以從設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)變量、約束條件等方面展開(kāi)，其內(nèi)容為：

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

設(shè)計(jì)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(jì)工作的展開(kāi)。

2.3 一級(jí)優(yōu)化

需要針對(duì)復(fù)合材料基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度系數(shù)展開(kāi)設(shè)計(jì)，例如：針對(duì)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(duì)儲(chǔ)存的應(yīng)變能進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，其公式為：U=∫∫s（σxεx+σyεy+τxyγxy）tdxdy。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，若是結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大的話，那么應(yīng)變和移位就會(huì)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(jì)優(yōu)化方案質(zhì)量。

另外，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以利用有限元的方式，判斷復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不同區(qū)域的應(yīng)變能力。但是，在有限元方式設(shè)計(jì)和計(jì)算的過(guò)程中，需要利用相應(yīng)的公式，其公式為：Ek=Eki=[K]ijtijsi，其中公式中：[K]ij為第i個(gè)單元第j層的剛度矩陣;為第i個(gè)單元第j層應(yīng)變;si為i個(gè)單元的面積;tij為第i個(gè)單元第j層的厚度。

2.4 第二級(jí)優(yōu)化

第二級(jí)優(yōu)化是需要基于第一級(jí)優(yōu)化的基礎(chǔ)之上，對(duì)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(gè)鋪層是是厚度作為設(shè)計(jì)變量，這樣對(duì)結(jié)構(gòu)鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，利用有限元方式，根據(jù)相應(yīng)的公式，Wk=Wki=ρktkjsi，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(gè)方面設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)良好的綜合效益[4]。

但是，在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于強(qiáng)度相對(duì)較高，需要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，這樣可保證鋪層系數(shù)相對(duì)較小。同時(shí)，一定要分析復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能，保證其強(qiáng)度滿復(fù)合材料的使用需求。另外，需要對(duì)剛度和結(jié)構(gòu)重量作為重點(diǎn)考慮對(duì)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(jì)優(yōu)化方案的質(zhì)量，進(jìn)而提升其使用價(jià)值，為相關(guān)行業(yè)帶來(lái)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(guó)民用直升機(jī)行業(yè)應(yīng)用越來(lái)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(jì)的優(yōu)化方案也在同步發(fā)展，以國(guó)際上最先進(jìn)的空客350、波音787的復(fù)材設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)復(fù)合材料起步較晚，技術(shù)上和應(yīng)用上還不夠成熟，對(duì)于復(fù)合材料的基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)還比較薄弱。復(fù)合材料作為航空中一項(xiàng)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(jì)研究過(guò)程中應(yīng)注意的方面展開(kāi)論述，其主要是表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(duì)航空復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并且形成數(shù)據(jù)庫(kù)。目前已經(jīng)通過(guò)大量材料基礎(chǔ)性能試驗(yàn)和理論計(jì)算分析，對(duì)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(kù)，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(kù)，對(duì)航空復(fù)合材料的承載力進(jìn)行計(jì)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(guò)理論計(jì)算，通過(guò)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(shí)根據(jù)不同情況對(duì)各個(gè)階級(jí)設(shè)計(jì)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(jì)的準(zhǔn)確性。

4 發(fā)展展望

復(fù)合材料材料在我國(guó)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)良好綜合效益，逐步對(duì)復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，近幾年為了得到更好的發(fā)展，需要對(duì)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(kāi)，具體的內(nèi)容如下：

（1）在復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析，逐漸開(kāi)發(fā)一些性能相對(duì)較好的材料。（2）需要利用相應(yīng)的軟件對(duì)復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行處理。但是，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一定要要求軟件是是對(duì)用戶截面和圖像處理等方面具有良好的性能，這樣可以對(duì)復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，以此保證復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量，避免一些問(wèn)題的產(chǎn)生。（3）需要將各個(gè)方面有效結(jié)合在一起，并且利用相應(yīng)的計(jì)算公式，提升其設(shè)計(jì)結(jié)果，保證復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的質(zhì)量。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要將一些內(nèi)容，例如：設(shè)計(jì)變量、荷載、剛度等方面作為重點(diǎn)考慮對(duì)象，并且保證各個(gè)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(jì)優(yōu)化方案的質(zhì)量，逐步的促進(jìn)其發(fā)展的進(jìn)程[5]。（4）復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案逐漸朝向綜合方向發(fā)展，主要是為因?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(jià)值，為其行業(yè)的發(fā)展，給予了基礎(chǔ)性的保證和支持。

根據(jù)以上的綜合論述，得出兩個(gè)結(jié)論。（1）在明確復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)之上，需要從不同方面和角度展開(kāi)設(shè)計(jì)，對(duì)復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案進(jìn)行完善，保證的其質(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(jì)完成以后，對(duì)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(gè)行業(yè)得到很好的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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