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        基于遺傳算法的復(fù)合材料進(jìn)氣道鋪層角度優(yōu)化及分析驗證

        2022-03-04 00:18:20趙博偉
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年4期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料有限元優(yōu)化

        趙博偉,賴 輝

        (成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心,四川 成都 610092)

        復(fù)合材料由于具有高的比強度、比模量及可設(shè)計性等優(yōu)點,在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,使結(jié)構(gòu)承載能力得到保證的同時減輕結(jié)構(gòu)重量。近年來,復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的使用量逐步提高,從一般構(gòu)件、次承力構(gòu)件到主承力構(gòu)件都有復(fù)合材料替代金屬材料的實例。

        提高結(jié)構(gòu)承載能力,是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要目標(biāo)之一。結(jié)合復(fù)合材料的可設(shè)計性,可對復(fù)合材料鋪層進(jìn)行優(yōu)化,使之在結(jié)構(gòu)重量不變的前提下,提高結(jié)構(gòu)承載能力。

        通過幾十年的技術(shù)發(fā)展,復(fù)合材料優(yōu)化方法有了很大的進(jìn)步。目前常用的優(yōu)化方法包括遺傳算法[1]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[2]、圖表法優(yōu)化[3]及其他基于各自不同的設(shè)計目標(biāo)和約束所形成的工程處理方法。

        本文采用HYPERWORKS軟件為平臺,采用遺傳優(yōu)化算法對某型飛機(jī)的S型復(fù)合材料進(jìn)氣道,以提高承載能力為目標(biāo)對復(fù)合材料鋪層角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,提供工程中可靠的優(yōu)化方法及在HYPERWORKS中的具體表現(xiàn)方式。這種優(yōu)化方法在工程中已得到充分應(yīng)用,并對承載能力通過了有限元分析及試驗驗證,得到了滿意的結(jié)果。

        1 優(yōu)化模型概述

        結(jié)構(gòu)應(yīng)變能是決定結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標(biāo)之一,對于復(fù)合材料進(jìn)氣道結(jié)構(gòu),在既定載荷及邊界條件的情況中,結(jié)構(gòu)承載能力越強,其相應(yīng)的應(yīng)變及位移就越小,外力做功及結(jié)構(gòu)應(yīng)變能也就越小。在不考慮體力的情況下,結(jié)構(gòu)應(yīng)變能的有限元形式如下所示:

        式中:{σ}ij是第i個單元第j層的應(yīng)力;{ε}ij是第i個單元第j層的應(yīng)變;Si是第i個單元的面積;tij是第i個單元第j層的厚度;n是結(jié)構(gòu)的單元數(shù);m是第i個單元的層數(shù)。其中:

        [K]ij為第i個單元第j層剛度矩陣,對復(fù)合材料:

        式中:c=cosθj,s=sinθj。

        鋪設(shè)角優(yōu)化模型如下。

        1.1 目標(biāo)函數(shù)

        優(yōu)化鋪設(shè)角過程,就是以進(jìn)氣道整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能最小為目標(biāo):

        1.2 設(shè)計變量

        復(fù)合材料進(jìn)氣道鋪層共有12層,由于進(jìn)氣道采取對稱鋪層,所以只需優(yōu)化一半鋪層角度,因此設(shè)計變量為6個鋪層角度,根據(jù)工程實際情況,各鋪層的鋪設(shè)角是在規(guī)定范圍內(nèi)選取的,因此要對鋪設(shè)角設(shè)定上限θm及下限θl:

        1.3 約束條件

        約束條件包括強度約束、剛度約束,以及損傷容限約束。這里采用Tsai-Hill失效準(zhǔn)則;

        強度約束保證進(jìn)氣道復(fù)合材料均滿足失效判據(jù),即F.I<1;剛度約束為進(jìn)氣道的位移約束△i<[△i];根據(jù)損傷容限設(shè)計原則,復(fù)合材料表面采用建議鋪層角度。

        優(yōu)化過程采取遺傳算法。Bagley[4]于1967年首次提出遺傳算法(Genetic Algorithm)的概念,之后,該算法成為求解系統(tǒng)優(yōu)化問題的框架,逐漸成熟并被廣泛應(yīng)用于多個學(xué)科領(lǐng)域,它具有不依賴于問題的具體領(lǐng)域和魯棒性強的優(yōu)點。優(yōu)化通過調(diào)用HYPERWORKS軟件進(jìn)行分析,并對HYPERWORKS的輸入初始鋪層文件和輸出分析數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀寫操作。通過分析數(shù)據(jù)文件中讀取的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過優(yōu)化程序改寫初始鋪層文件進(jìn)行迭代優(yōu)化,具體流程如圖1所示。

        圖1 遺傳算法優(yōu)化流程

        1.4 收斂準(zhǔn)則

        當(dāng)兩次迭代循環(huán)的結(jié)構(gòu)k區(qū)域的應(yīng)變能之差絕對值小于給定值或迭代次數(shù)達(dá)到給定值時,終止迭代。

        2 計算及優(yōu)化結(jié)果

        進(jìn)氣道采用二維層合殼單元,賦予PCOMP單元屬性,筋條表面材料采用二維層合板殼單元,筋條內(nèi)部填充物為泡沫材料,采用三維實體(C3D8)單元。唇口均采用二維單元,進(jìn)氣道上的網(wǎng)格總數(shù)為36 846個,進(jìn)氣道剖面及有限元模型如圖2所示。

        圖2 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)

        從進(jìn)氣道初始鋪層角度設(shè)計為“[45°/-45°/0°/55°/-55°/0°]s”,邊界條件設(shè)置為進(jìn)氣道兩端固支,取吸力載荷-22 444 Pa進(jìn)行有限元分析,安全系數(shù)為1.3。

        從進(jìn)氣道靜力計算結(jié)果可以看出,進(jìn)氣道最大應(yīng)力值發(fā)生在進(jìn)氣道端口上端,此處曲率較大。最大應(yīng)力為153.5 MPa,如圖3(a)所示;最大變形發(fā)生在右進(jìn)氣道左邊,靠近端口部位。最大變形值為1.851 mm,如圖3(b)所示。

        圖3 靜力計算結(jié)果最大應(yīng)力值及最大變形

        在初始鋪層優(yōu)化模型及力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,對結(jié)構(gòu)的鋪層進(jìn)行優(yōu)化。保持進(jìn)氣道的總厚度不變,共12層,單層厚度為0.125 mm。根據(jù)實際要求,鋪設(shè)角度范圍為-65°~65°。剛度約束中的位移約束[Δi]=1.8 mm,同時根據(jù)損傷容限要求,復(fù)合材料表面采用±45°鋪層。

        通過優(yōu)化模型,計算得到的優(yōu)化鋪層角度為“[45°/-45°/0°/65°/-65°/0°]s”。對優(yōu)化后的進(jìn)氣道進(jìn)行靜力計算,工況與上同,得到應(yīng)力云圖如圖4(a)所示,最大應(yīng)力為148.6 MPa,對比初始鋪層減小3.2%;位移云圖如圖4(b)所示,最大位移為1.827 mm,對比初始鋪層減小1.3%。

        圖4 鋪層優(yōu)化后最大應(yīng)力值及最大變形

        試驗方案及試驗現(xiàn)場如圖5所示。在吸力載荷-22 444 Pa下,各測點位移模擬值和試驗值對比如圖6(a)所示,應(yīng)變測點1上0°應(yīng)變對比如圖6(b)所示。試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合情況良好,工況卸載后,進(jìn)氣道能恢復(fù)初始狀態(tài),未出現(xiàn)有害變形、損傷、裂紋及破壞。

        圖5 試驗方案及現(xiàn)場

        圖6 模擬值和試驗值對比

        3 結(jié)論

        (1)本文描述的優(yōu)化模型是建立在有限元分析軟件HYPERWORKS的基礎(chǔ)上,有限元模型及分析由HYPERWORKS完成,軟件用特定的優(yōu)化方法操作輸入文件,且不影響模型完整性,該優(yōu)化過程具有較高的實用性及通用性。

        (2)各區(qū)域應(yīng)變能減少,說明文中鋪層優(yōu)化方法有效,在鋪層總厚度及單層厚度不變的情況下,提高了結(jié)構(gòu)承載能力。

        (3)本文采用遺傳算法,迭代次數(shù)較少,優(yōu)化效率較高。

        (4)該優(yōu)化過程可以靈活應(yīng)用,不僅可以以應(yīng)變能最小為目標(biāo)優(yōu)化,也可以以結(jié)構(gòu)剛度最大為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

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