復合材料基礎設計的優化方案之研究

陳智有

摘 要：復合材料主要是由金屬材料、陶瓷材料、高分子材料等組成，并且經過復合工藝，使各項材料從性能、功能等方面相互彌補，以此保證復合材料的質量和使用效果。但是，在復合材料基礎設計的過程中，由于過程較為復雜，經常會導致出現一些細節上的偏差，影響其綜合效益。因此本文針對復合材料設計理論，對復合材料基礎設計的優化方案進行了研究，對復合材料在民用直升機領域的應用與展望進行了分析，其目的就是保證綜合效益，促進民用直升機產業發展的進程。

關鍵詞：復合材料;基礎設計;綜合效益

中圖分類號：V221.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0098-02

近幾年，為了提升復合材料的使用性能，提出了很多基礎設計優化方案。例如：等強優化設計，主要是在遺傳算法的基礎之上，就那些鋪層順序、多級等優化設計。但是，在復合材料基礎設計的過程中，由于設計變量和約束條件角度，函數較為復雜，這樣對復合材料基礎設計優化方案的展開，就會帶來不同程度上的影響[1]。因此，在復合材料基礎設計優化的過程中，需要了解常見基礎性理論，根據其理論展開設計，這樣才能保證復合材料基礎設計優化方案的質量，實現其綜合效益，提升復合材料的質量和使用性能。

1 復合材料基礎設計理論

在復合材料基礎設計的過程中，由于環節相對較多，需要將設計細化到每一個細節中。同時，一定要注重載荷狀態、材料、單元結構、鋪層系數等方面，這樣才能保證復合材料基礎設計優化方案的準確性，具體的內容可以從以下幾個方面展開。

（1）需要將設計劃分成區域，劃分完成以后再進行設計。（2）在設計的過程中，一般情況下是采用鋪層系數的角度為0/±45/90，并且需要根據合理的比例參數，進行鋪層厚度的優化。同時，在這樣的情況下，是不需要過于考慮鋪層系數的。（3）各項材料一定要屬于同性、等效材料，避免復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，可以根據相應的公式，展開復合材料基礎設計，以此保證其質量，公式為：W=wi=ρitisi，其中公式中wi表示為第i區域材料的重量;ρi表示為第i區域材料的密度;ti表示為第i區域材料的厚度;si表示為第i區域材料的面積;W表示結構的總重量。

2 復合材料基礎設計優化措施

需要采取合理的設計方式，才能保證復合材料基礎設計優化方案的質量，下面就對復合材料基礎設計優化的相關措施，展開了分析和闡述。

2.1 區域劃分

由于復合材料基礎設計角度復雜，通常情況下有多個鋪層坐標系，對于每一個鋪層坐標系，需要劃分成一個一個獨立的區域，并且在區域內完成設計工作，這樣可以將設計工作細化。同時，在設計的過程中，需要將復合材料結構承受荷載、材料、類型、鋪層系數等作為重點考慮對象，為復合材料基礎設計優化方案質量的提升，給予了基礎性的保證。

2.2 模型的確定

在復合材料基礎設計的過程中，需要對數學模型進行確定，但是需要明確設計變量、約束條件的相關參數。根據各項參數構建復合材料基礎設計數據模型，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，針對文本表達方式，可以從設計目標、設計變量、約束條件等方面展開，其內容為：

設計目標：m=f（lt，lw，lb，nt，nw，nb）→min;

設計變量：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。

這樣可以便于后續設計工作的展開。

2.3 一級優化

需要針對復合材料基礎結構厚度系數展開設計，例如：針對復合材料基礎結構較薄的情況，需要滿足標注荷載系數，對儲存的應變能進行設計和計算，其公式為：U=∫∫s（σxεx+σyεy+τxyγxy）tdxdy。同時，在設計的過程中，若是結構剛度相對較大的話，那么應變和移位就會產生一定的變化，這樣可以在一定程度上降低外界的影響，保證復合材料基礎設計優化方案質量。

另外，在設計的時候，可以利用有限元的方式，判斷復合材料基礎設計不同區域的應變能力。但是，在有限元方式設計和計算的過程中，需要利用相應的公式，其公式為：Ek=Eki=[K]ijtijsi，其中公式中：[K]ij為第i個單元第j層的剛度矩陣;為第i個單元第j層應變;si為i個單元的面積;tij為第i個單元第j層的厚度。

2.4 第二級優化

第二級優化是需要基于第一級優化的基礎之上，對鋪層角度進行固定，并且將結構質量作為函數目標，將各個鋪層是是厚度作為設計變量，這樣對結構鋪層厚度進行優化設計。同時，在設計的過程中，利用有限元方式，根據相應的公式，Wk=Wki=ρktkjsi，其中ρk為第k區域材料的密度;tkj，是第k區域第j層的厚度;Wk為第k區域的結構重量，這樣才能保證各個方面設計的準確性，實現良好的綜合效益[4]。

但是，在復合材料基礎設計的過程中，由于強度相對較高，需要進行相應的計算，這樣可保證鋪層系數相對較小。同時，一定要分析復合材料基礎設計的各項性能，保證其強度滿復合材料的使用需求。另外，需要對剛度和結構重量作為重點考慮對象，保證兩者的平衡性，這樣才能保證復合材料基礎設計優化方案的質量，進而提升其使用價值，為相關行業帶來良好的經濟效益。

3 直升機行業復合材料應用

復合材料在我國民用直升機行業應用越來越廣泛，隨著復合材料的發展，復合材料基礎設計的優化方案也在同步發展，以國際上最先進的空客350、波音787的復材設計為代表，優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，產品質量也得到了大幅度提升。國內復合材料起步較晚，技術上和應用上還不夠成熟，對于復合材料的基礎優化設計還比較薄弱。復合材料作為航空中一項重要的材料，本文就以直升機行業復合材料優化方案設計研究過程中應注意的方面展開論述，其主要是表現在以下幾個方面。

（1）主要是根據航空復合材料的性質以及特點，利用相關的分析軟件對航空復合材料基礎設計中的相關參數進行計算，并且形成數據庫。目前已經通過大量材料基礎性能試驗和理論計算分析，對復合材料的力學性能，密度，厚度，含膠量，成型方法等積累了大量數據，初步形成了復合材料數據庫，可供優化考慮。（2）航空復合材料與普通復合材料有著一定區別，使用已經建成的數據庫，對航空復合材料的承載力進行計算，并且分析其功能是否滿足航空發展的需求。目前優化的方法，主要還是通過理論計算，通過有限元軟件進行建模，主要考慮結構中不同復材鋪層的層數，鋪貼順序，部分區域的鋪層加強，剛度強度等方面要求，同時根據不同情況對各個階級設計進行有限元分析，其目的就是保證航空復合材料基礎設計的準確性。

4 發展展望

復合材料材料在我國民用直升機行業有著廣泛的應用，并且為了實現良好綜合效益，逐步對復合材料基礎設計進行優化。同時，近幾年為了得到更好的發展，需要對其發展形式進行展望，這樣有利于后期發展進程的展開，具體的內容如下：

（1）在復合材料基礎設計的過程中，需要對其應用領域進行分析，逐漸開發一些性能相對較好的材料。（2）需要利用相應的軟件對復合材料基礎設計方案進行處理。但是，在設計的過程中，一定要要求軟件是是對用戶截面和圖像處理等方面具有良好的性能，這樣可以對復合材料基礎設計方案進行檢測和評估，以此保證復合材料基礎設計方案的質量，避免一些問題的產生。（3）需要將各個方面有效結合在一起，并且利用相應的計算公式，提升其設計結果，保證復合材料基礎設計優化方案的質量。同時，在設計的過程中，需要將一些內容，例如：設計變量、荷載、剛度等方面作為重點考慮對象，并且保證各個方面的平衡性，這樣才能有效提升復合材料基礎設計優化方案的質量，逐步的促進其發展的進程[5]。（4）復合材料基礎設計優化方案逐漸朝向綜合方向發展，主要是為因為這樣可以有效提升復合材料的綜合性能，提升其使用價值，為其行業的發展，給予了基礎性的保證和支持。

根據以上的綜合論述，得出兩個結論。（1）在明確復合材料基礎設計原理的基礎之上，需要從不同方面和角度展開設計，對復合材料基礎設計優化方案進行完善，保證的其質量，實現良好的綜合效益。（2）本文在復合材料基礎設計完成以后，對其在民用直升機領域發展進行了展望，這樣主要是明確其發展方向，促使各個行業得到很好的發展，實現良好的經濟效益。

參考文獻

[1] 劉紅飛，嚴學華，程曉農.拓撲優化方法在復合材料設計中的研究進展[J].材料導報，2006（2）：33-36.

[2] 張彥考，張鐸.大型復合材料結構優化設計方法研究[J].固體火箭技術，2003（3）：69-71.

[3] 羅騰騰，孫秦.大型復合材料結構實用優化設計技術研究[J].機械設計與制造，2009（6）：200-201.

[4] 楊榛，顧幸生，梁曉懌，等.模式識別和神經網絡在復合材料優化設計中的研究和應用[J].材料導報，2008（8）：68-72.

[5] 孔祥宏，王志瑾.基于Abaqus和modeFRONTIER的復合材料結構優化設計方法[J].飛機設計，2012（5）：16-21.