复合材料基础设计的优化方案之研究

陈智有

摘 要：复合材料主要是由金属材料、陶瓷材料、高分子材料等组成，并且经过复合工艺，使各项材料从性能、功能等方面相互弥补，以此保证复合材料的质量和使用效果。但是，在复合材料基础设计的过程中，由于过程较为复杂，经常会导致出现一些细节上的偏差，影响其综合效益。因此本文针对复合材料设计理论，对复合材料基础设计的优化方案进行了研究，对复合材料在民用直升机领域的应用与展望进行了分析，其目的就是保证综合效益，促进民用直升机产业发展的进程。

关键词：复合材料;基础设计;综合效益

中图分类号：V221.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0098-02

近几年，为了提升复合材料的使用性能，提出了很多基础设计优化方案。例如：等强优化设计，主要是在遗传算法的基础之上，就那些铺层顺序、多级等优化设计。但是，在复合材料基础设计的过程中，由于设计变量和约束条件角度，函数较为复杂，这样对复合材料基础设计优化方案的展开，就会带来不同程度上的影响[1]。因此，在复合材料基础设计优化的过程中，需要了解常见基础性理论，根据其理论展开设计，这样才能保证复合材料基础设计优化方案的质量，实现其综合效益，提升复合材料的质量和使用性能。

1 復合材料基础设计理论

在复合材料基础设计的过程中，由于环节相对较多，需要将设计细化到每一个细节中。同时，一定要注重载荷状态、材料、单元结构、铺层系数等方面，这样才能保证复合材料基础设计优化方案的准确性，具体的内容可以从以下几个方面展开。

（1）需要将设计划分成区域，划分完成以后再进行设计。（2）在设计的过程中，一般情况下是采用铺层系数的角度为0/±45/90，并且需要根据合理的比例参数，进行铺层厚度的优化。同时，在这样的情况下，是不需要过于考虑铺层系数的。（3）各项材料一定要属于同性、等效材料，避免复合材料的使用性能受到影响[2]。（4）通常情况下使用有限元分析的方式，可以根据相应的公式，展开复合材料基础设计，以此保证其质量，公式为：W=wi=ρitisi，其中公式中wi表示为第i区域材料的重量;ρi表示为第i区域材料的密度;ti表示为第i区域材料的厚度;si表示为第i区域材料的面积;W表示结构的总重量。

2 复合材料基础设计优化措施

需要采取合理的设计方式，才能保证复合材料基础设计优化方案的质量，下面就对复合材料基础设计优化的相关措施，展开了分析和阐述。

2.1 区域划分

由于复合材料基础设计角度复杂，通常情况下有多个铺层坐标系，对于每一个铺层坐标系，需要划分成一个一个独立的区域，并且在区域内完成设计工作，这样可以将设计工作细化。同时，在设计的过程中，需要将复合材料结构承受荷载、材料、类型、铺层系数等作为重点考虑对象，为复合材料基础设计优化方案质量的提升，给予了基础性的保证。

2.2 模型的确定

在复合材料基础设计的过程中，需要对数学模型进行确定，但是需要明确设计变量、约束条件的相关参数。根据各项参数构建复合材料基础设计数据模型，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）。

同时，针对文本表达方式，可以从设计目标、设计变量、约束条件等方面展开，其内容为：

设计目标：m=f（lt，lw，lb，nt，nw，nb）→min;

设计变量：lt，lw，lb，nt，nw，nb，pt，pw，pb;

约束条件：u=g1（lt，lw，lb，nt，nw，nb，pt，pw，pb）<10;

c=g2（lt，lw，lb，nt，nw，nb，pt，pw，pb）<1。

这样可以便于后续设计工作的展开。

2.3 一级优化

需要针对复合材料基础结构厚度系数展开设计，例如：针对复合材料基础结构较薄的情况，需要满足标注荷载系数，对储存的应变能进行设计和计算，其公式为：U=∫∫s（σxεx+σyεy+τxyγxy）tdxdy。同时，在设计的过程中，若是结构刚度相对较大的话，那么应变和移位就会产生一定的变化，这样可以在一定程度上降低外界的影响，保证复合材料基础设计优化方案质量。

另外，在设计的时候，可以利用有限元的方式，判断复合材料基础设计不同区域的应变能力。但是，在有限元方式设计和计算的过程中，需要利用相应的公式，其公式为：Ek=Eki=[K]ijtijsi，其中公式中：[K]ij为第i个单元第j层的刚度矩阵;为第i个单元第j层应变;si为i个单元的面积;tij为第i个单元第j层的厚度。

2.4 第二级优化

第二级优化是需要基于第一级优化的基础之上，对铺层角度进行固定，并且将结构质量作为函数目标，将各个铺层是是厚度作为设计变量，这样对结构铺层厚度进行优化设计。同时，在设计的过程中，利用有限元方式，根据相应的公式，Wk=Wki=ρktkjsi，其中ρk为第k区域材料的密度;tkj，是第k区域第j层的厚度;Wk为第k区域的结构重量，这样才能保证各个方面设计的准确性，实现良好的综合效益[4]。

但是，在复合材料基础设计的过程中，由于强度相对较高，需要进行相应的计算，这样可保证铺层系数相对较小。同时，一定要分析复合材料基础设计的各项性能，保证其强度满复合材料的使用需求。另外，需要对刚度和结构重量作为重点考虑对象，保证两者的平衡性，这样才能保证复合材料基础设计优化方案的质量，进而提升其使用价值，为相关行业带来良好的经济效益。

3 直升机行业复合材料应用

复合材料在我国民用直升机行业应用越来越广泛，随着复合材料的发展，复合材料基础设计的优化方案也在同步发展，以国际上最先进的空客350、波音787的复材设计为代表，优化方案的研究极大的提高了加工效率和材料利用率，还使零部件的制作更加灵活，产品质量也得到了大幅度提升。国内复合材料起步较晚，技术上和应用上还不够成熟，对于复合材料的基础优化设计还比较薄弱。复合材料作为航空中一项重要的材料，本文就以直升机行业复合材料优化方案设计研究过程中应注意的方面展开论述，其主要是表现在以下几个方面。

（1）主要是根据航空复合材料的性质以及特点，利用相关的分析软件对航空复合材料基础设计中的相关参数进行计算，并且形成数据库。目前已经通过大量材料基础性能试验和理论计算分析，對复合材料的力学性能，密度，厚度，含胶量，成型方法等积累了大量数据，初步形成了复合材料数据库，可供优化考虑。（2）航空复合材料与普通复合材料有着一定区别，使用已经建成的数据库，对航空复合材料的承载力进行计算，并且分析其功能是否满足航空发展的需求。目前优化的方法，主要还是通过理论计算，通过有限元软件进行建模，主要考虑结构中不同复材铺层的层数，铺贴顺序，部分区域的铺层加强，刚度强度等方面要求，同时根据不同情况对各个阶级设计进行有限元分析，其目的就是保证航空复合材料基础设计的准确性。

4 发展展望

复合材料材料在我国民用直升机行业有着广泛的应用，并且为了实现良好综合效益，逐步对复合材料基础设计进行优化。同时，近几年为了得到更好的发展，需要对其发展形式进行展望，这样有利于后期发展进程的展开，具体的内容如下：

（1）在复合材料基础设计的过程中，需要对其应用领域进行分析，逐渐开发一些性能相对较好的材料。（2）需要利用相应的软件对复合材料基础设计方案进行处理。但是，在设计的过程中，一定要要求软件是是对用户截面和图像处理等方面具有良好的性能，这样可以对复合材料基础设计方案进行检测和评估，以此保证复合材料基础设计方案的质量，避免一些问题的产生。（3）需要将各个方面有效结合在一起，并且利用相应的计算公式，提升其设计结果，保证复合材料基础设计优化方案的质量。同时，在设计的过程中，需要将一些内容，例如：设计变量、荷载、刚度等方面作为重点考虑对象，并且保证各个方面的平衡性，这样才能有效提升复合材料基础设计优化方案的质量，逐步的促进其发展的进程[5]。（4）复合材料基础设计优化方案逐渐朝向综合方向发展，主要是为因为这样可以有效提升复合材料的综合性能，提升其使用价值，为其行业的发展，给予了基础性的保证和支持。

根据以上的综合论述，得出两个结论。（1）在明确复合材料基础设计原理的基础之上，需要从不同方面和角度展开设计，对复合材料基础设计优化方案进行完善，保证的其质量，实现良好的综合效益。（2）本文在复合材料基础设计完成以后，对其在民用直升机领域发展进行了展望，这样主要是明确其发展方向，促使各个行业得到很好的发展，实现良好的经济效益。

参考文献

[1] 刘红飞，严学华，程晓农.拓扑优化方法在复合材料设计中的研究进展[J].材料导报，2006（2）：33-36.

[2] 张彦考，张铎.大型复合材料结构优化设计方法研究[J].固体火箭技术，2003（3）：69-71.

[3] 罗腾腾，孙秦.大型复合材料结构实用优化设计技术研究[J].机械设计与制造，2009（6）：200-201.

[4] 杨榛，顾幸生，梁晓怿，等.模式识别和神经网络在复合材料优化设计中的研究和应用[J].材料导报，2008（8）：68-72.

[5] 孔祥宏，王志瑾.基于Abaqus和modeFRONTIER的复合材料结构优化设计方法[J].飞机设计，2012（5）：16-21.