本發(fā)明是一種基于工程的復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化后處理方法，屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，用于復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，以工程應(yīng)用為目的，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行工程可實(shí)現(xiàn)的后處理。

背景技術(shù)：
復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高，比剛度高，密度小和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中。在復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，設(shè)計(jì)變量涉及鋪層角度、鋪層厚度和鋪層位置等，設(shè)計(jì)變量數(shù)目巨大。目前，在復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)優(yōu)化方法中，針對(duì)設(shè)計(jì)變量巨大帶來的優(yōu)化困難的問題，主要是對(duì)復(fù)合材料層合板的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行一定處理，處理方法主要包含以下兩種：一種是在優(yōu)化前先確定幾種工程常用的鋪層角度比例，以復(fù)合材料層合板的厚度作為設(shè)計(jì)變量；另一種是在優(yōu)化前先確定復(fù)合材料層合板的總厚度和單層厚度，并給定幾種工程常用的鋪層角度，通過對(duì)幾種角度的鋪層比例和鋪層順序進(jìn)行優(yōu)化。另外以上這兩種方法還常常將鋪層位置相近的多個(gè)優(yōu)化單元簡化為一個(gè)大的優(yōu)化單元，即模型優(yōu)化時(shí)需要同時(shí)對(duì)這些優(yōu)化單元添加或減少鋪層。以上兩種設(shè)計(jì)優(yōu)化方法雖然大大減小了復(fù)合材料優(yōu)化過程中設(shè)計(jì)變量的數(shù)目，且編碼簡單，但都由于事先已確定鋪層角度或鋪層角度比例等原因，極大縮小了優(yōu)化算法可行域的尋優(yōu)空間，優(yōu)化時(shí)受此約束將直接影響優(yōu)化算法的開采能力，某些情況下優(yōu)化效果不顯著。因此，在復(fù)合材料層合板優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)人員需要保證優(yōu)化算法能在所有可行解所形成的搜索空間內(nèi)尋優(yōu)，即針對(duì)設(shè)計(jì)變量可能存在的各種情況進(jìn)行尋優(yōu)，從而達(dá)到理想的尋優(yōu)精度，這種精細(xì)化設(shè)計(jì)需求已是大勢(shì)所趨。然而，復(fù)合材料層合板精細(xì)化設(shè)計(jì)需要同時(shí)對(duì)所有優(yōu)化單元進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，且優(yōu)化過程中涉及大量離散變量和連續(xù)變量，導(dǎo)致優(yōu)化后層合板模型中各優(yōu)化單元所添加的鋪層位置分布散亂，添加鋪層的單元中所添加的厚度和角度也各不相同，優(yōu)化單元厚度方向高低不平且“凸起”和“凹坑”等奇異單元較多，優(yōu)化結(jié)果在工程上難以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)狀況而設(shè)計(jì)了一種基于工程的復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化后處理方法，其目的是解決復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)在精細(xì)化設(shè)計(jì)優(yōu)化后，無法在工程應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)的問題。本發(fā)明提出了一種基于工程可實(shí)現(xiàn)的復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化后處理方法，可以在對(duì)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)優(yōu)化后，通過一種鋪層厚度擬合和鋪層角度等效轉(zhuǎn)換的方法，使得層合板各優(yōu)化單元鋪層厚度方向光順連續(xù)、單層鋪層厚度和鋪層角度工程合理化離散。該后處理方法首先在在保證復(fù)合材料層合板各優(yōu)化單元三向剛度相等且質(zhì)量基本一致的情況下，對(duì)優(yōu)化后初始層合板進(jìn)行第一次等效剛度轉(zhuǎn)換；其次，采用一種基于最小二乘算法的多項(xiàng)式曲面擬合方法，在滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)基本約束條件下，對(duì)層合板中所有優(yōu)化單元進(jìn)行厚度方向曲面擬合處理，確保擬合處理完成后層合板表面光順連續(xù)，消除“凸起”和“凹坑”等奇異單元；最后，再對(duì)擬合處理后的層合板各優(yōu)化單元進(jìn)行第二次等效剛度轉(zhuǎn)換，確保轉(zhuǎn)換后層合板中各優(yōu)化單元鋪層角度都轉(zhuǎn)換成0°、±45°、90°四種工程常用角度，且各優(yōu)化單元的各單層厚度都轉(zhuǎn)換為指定單層厚度。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：該種基于工程的復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化后處理方法，該復(fù)合材料層合板鋪層包括原始鋪層和經(jīng)過優(yōu)化后添加的鋪層，其特征在于：該方法的步驟是：⑴統(tǒng)計(jì)初始模型信息采集復(fù)合材料層合板優(yōu)化后模型(1)中各優(yōu)化單元(2)的單元編號(hào)，然后再統(tǒng)計(jì)復(fù)合材料層合板優(yōu)化后模型(1)中各優(yōu)化單元(2)的幾何信息和鋪層信息，并將這些數(shù)據(jù)寫入統(tǒng)計(jì)信息文件，作為第一次等效剛度轉(zhuǎn)換的輸入?yún)?shù)；上述各優(yōu)化單元(2)的單元編號(hào)是指優(yōu)化后模型(1)中各優(yōu)化單元(2)的單元屬性編號(hào)；上述各優(yōu)化單元(2)的幾何信息包括優(yōu)化后模型(1)中各優(yōu)化單元(2)的各結(jié)點(diǎn)三向坐標(biāo)Xij、Yij、Zij(i＝1，2…n，j＝1，2...，3或4)、中心點(diǎn)坐標(biāo)Xi、Yi(i＝1，2…n)和各優(yōu)化單元的單元面積Si(i＝1，2…n)；各優(yōu)化單元(2)的各結(jié)點(diǎn)三向坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以通過匹配單元編號(hào)，在優(yōu)化后模型(1)中直接讀?。桓鲀?yōu)化單元(2)的中心點(diǎn)坐標(biāo)Xi、Yi(i＝1，2…n)通過該優(yōu)化單元各結(jié)點(diǎn)三向坐標(biāo)求得，見公式1；各優(yōu)化單元(2)的單元面積Si(i＝1，2…n)可以根據(jù)已讀取的各結(jié)點(diǎn)三向坐標(biāo)數(shù)據(jù)先計(jì)算單元各邊長Lij(i＝1，2…n，j＝1，2...，3或4)，見公式2，采用海倫公式計(jì)算三角單元面積，見公式3；若優(yōu)化單元(2)為四邊形單元，則把四邊形拆分成兩個(gè)三角形并使用兩次海倫公式計(jì)算即可；上述各優(yōu)化單元(2)的鋪層信息包括優(yōu)化后模型(1)中各優(yōu)化單元(2)的鋪層層數(shù)Ni(i＝1，2…n)、各優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度Ti(i＝1，2…n)、各優(yōu)化單元(2)的鋪層體積Vi(i＝1，2…n)及所有優(yōu)化單元(2)總體積V，見公式4和公式5；Vi＝Ti×Si(i＝1，2…n)公式4⑵對(duì)各優(yōu)化單元(2)進(jìn)行第一次等效剛度轉(zhuǎn)換，并修改優(yōu)化后模型(1)將各優(yōu)化單元(2)中各單個(gè)鋪層厚度設(shè)定為0.1～0.2mm，按照復(fù)合材料層合板三向剛度等效原則，在保證各優(yōu)化單元(2)剛度相等且質(zhì)量基本一致的情況下，將優(yōu)化后模型(1)中各優(yōu)化單元(2)的鋪層角度轉(zhuǎn)換成0°、±45°、90°四種角度；完成上述第一次等效剛度轉(zhuǎn)換后，根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的各優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度和鋪層角度，得到臨時(shí)模型一，統(tǒng)計(jì)臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元(2)的鋪層信息，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)更新統(tǒng)計(jì)信息文件；⑶各優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度曲面擬合處理3.1以臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元(2)的中心點(diǎn)坐標(biāo)Xi、Yi(i＝1，2…n)分別作為橫、縱坐標(biāo)輸入?yún)?shù)，以各優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度Ti(i＝1，2…n)作為豎坐標(biāo)輸入?yún)?shù)，將臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元(2)離散成三維空間內(nèi)散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)；3.2選取曲面擬合算法及曲面擬合多項(xiàng)式，對(duì)三維空間內(nèi)散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)以鋪層厚度為目標(biāo)進(jìn)行曲面擬合，得到臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元(2)的擬合后的臨時(shí)鋪層厚度；3.3從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度對(duì)所得到的臨時(shí)鋪層厚度進(jìn)行修正，計(jì)算出臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元(2)的應(yīng)力，找到臨時(shí)鋪層厚度最大的優(yōu)化單元的應(yīng)力，并將其他優(yōu)化單元(2)的應(yīng)力與該優(yōu)化單元進(jìn)行比較，若應(yīng)力大于該優(yōu)化單元，則將其臨時(shí)鋪層厚度調(diào)整為該優(yōu)化單元的鋪層厚度，若應(yīng)力小于該優(yōu)化單元，則保持其臨時(shí)鋪層厚度不變，修正處理完成后，得到臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元(2)的鋪層新厚度：Ti′(i＝1，2…n)；⑷修改臨時(shí)模型一將得到的臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元(2)的鋪層新厚度：Ti′(i＝1，2…n)與其對(duì)應(yīng)的原優(yōu)化后模型(1)的各優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度Ti(i＝1，2…n)進(jìn)行比較，計(jì)算兩者的差值ΔTi，即：ΔTi＝Ti′-Ti(i＝1，2…n)公式6根據(jù)差值ΔTi，選取以下方式之一對(duì)臨時(shí)模型一優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度進(jìn)行修改；a若ΔTi＞ε，在該臨時(shí)模型一優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度基礎(chǔ)上添加厚度為ΔTi的復(fù)合材料鋪層；b若ΔTi＜－ε在該臨時(shí)模型一優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度基礎(chǔ)上減去厚度為|ΔTi|的復(fù)合材料鋪層；c若|ΔTi|＜ε，則不對(duì)該臨時(shí)模型一優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度做任何改動(dòng)；上述ε的取值為0.01～0.1mm；依次針對(duì)臨時(shí)模型一中所有優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度進(jìn)行比較及修改后，得到臨時(shí)模型二；⑸按上述步驟⑵，對(duì)臨時(shí)模型二中的各優(yōu)化單元(2)進(jìn)行第二次等效剛度轉(zhuǎn)換，得到最終模型。上述步驟⑶中所述曲面擬合算法為最小二乘算法，曲面擬合多項(xiàng)式可以選擇n(其中n可以選擇2或3或4或5)次曲面多項(xiàng)式其中之一或雙m(其中m可以選擇3或4或5)次曲面多項(xiàng)式其中之一。上述步驟⑷中所述的鋪層修改方法中，若ΔTi＞ε，在添加厚度為ΔTi的復(fù)合材料鋪層中，添加的鋪層的角度可以是0°、±45°、90°中的一種或幾種。上述步驟⑷中所述的鋪層修改方法中，若ΔTi＜－ε，在減去厚度為|ΔTi|的復(fù)合材料鋪層中，從下向上依次減去鋪層直到滿足要求。本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是：1.在對(duì)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，可以同時(shí)將優(yōu)化單元鋪層厚度、鋪層角度和鋪層位置作為設(shè)計(jì)變量，不需要事先考慮工程可實(shí)現(xiàn)問題而約束優(yōu)化單元鋪層角度比例、鋪層位置和單次添加厚度等，這樣保證了復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)在優(yōu)化時(shí)，優(yōu)化算法能在所有可行解的搜索空間內(nèi)尋優(yōu)，最大限度地提高了算法的開采能力。該后處理方法是復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)在精細(xì)化設(shè)計(jì)優(yōu)化后，優(yōu)化結(jié)果得以工程化實(shí)現(xiàn)的前提。2.通過對(duì)復(fù)合材料層合板優(yōu)化后的模型信息進(jìn)行提取，并以各優(yōu)化單元鋪層厚度為目標(biāo)進(jìn)行多項(xiàng)式曲面擬合處理。這種處理方法在最大限度保證優(yōu)化結(jié)果的同時(shí)，還使得各優(yōu)化單元邊界連續(xù)光順，且有效去除了層合板結(jié)構(gòu)在優(yōu)化過程中出現(xiàn)的“凸起”和“凹坑”等奇異單元，易于工程應(yīng)用。同時(shí)，從層合板實(shí)際受力的結(jié)構(gòu)力學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)層合板各優(yōu)化單元應(yīng)力分布情況，對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行修正，保證擬合結(jié)果真正契合實(shí)際情況，更加科學(xué)合理。3.按照復(fù)合材料層合板三向剛度等效原則，在保證層合板各優(yōu)化單元?jiǎng)偠认嗟惹屹|(zhì)量基本一致的情況下，對(duì)擬合處理完成的模型所有優(yōu)化單元進(jìn)行等效剛度轉(zhuǎn)換。該方法能將層合板中各優(yōu)化單元的各單層鋪層角度轉(zhuǎn)換成0°、±45°、90°四種工程常用角度，且各優(yōu)化單元的各單層鋪層厚度都能轉(zhuǎn)換為指定單層厚度。4.本后處理方法中針對(duì)復(fù)合材料層合板模型基本信息的提取、建立參數(shù)化擬合模型、模型曲面擬合、添加擬合約束、模型修改、模型等效剛度轉(zhuǎn)換和計(jì)算結(jié)果提取等，都是通過編制程序或采用專業(yè)軟件自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，處理效率高。附圖說明圖1復(fù)合材料層合板有限元模型圖2優(yōu)化后模型(1)的文本文件截圖圖3優(yōu)化后模型(1)中各優(yōu)化單元的鋪層厚度二維/三維圖圖4復(fù)合材料層合板三向剛度等效轉(zhuǎn)換示意圖圖5多項(xiàng)式曲面擬合代碼截圖圖6多項(xiàng)式曲面擬合相似度及誤差截圖圖7臨時(shí)模型一經(jīng)過擬合后各優(yōu)化單元(2)鋪層厚度曲面分布圖圖8臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元(2)無因次應(yīng)力分布曲面圖圖9新模型中各優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度分布散點(diǎn)圖圖10新模型中各優(yōu)化單元(2)的鋪層厚度二維/三維圖圖11新模型中各優(yōu)化單元(2)的各單層鋪層角度/厚度示意圖圖12優(yōu)化后模型(1)和新模型中所有優(yōu)化單元(2)的鋪層總體積圖13優(yōu)化后模型(1)和新模型中各優(yōu)化單元(2)的最大失效系數(shù)具體實(shí)施方式以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述：該種基于工程的復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化后處理方法，復(fù)合材料層合板鋪層包括原始鋪層和經(jīng)過優(yōu)化后添加的鋪層，本發(fā)明技術(shù)方案是承接前期對(duì)復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化后進(jìn)行的后處理方法，前期對(duì)復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化方法可以參照在先申請(qǐng)的專利技術(shù)方案來完成，該在先專利申請(qǐng)的名稱是：一種飛機(jī)翼面蒙皮亞音速顫振優(yōu)化方法，專利申請(qǐng)?zhí)枮椋?01110171379.9，以下對(duì)采用該方法對(duì)復(fù)合材料層合板鋪層進(jìn)行前期優(yōu)化的實(shí)施過程說明如下：⑴建立復(fù)合材料層合板三維幾何模型，然后基于該層合板的三維模型建立有限元計(jì)算模型，層合板采用四節(jié)點(diǎn)的板單元建模，各板單元即為設(shè)計(jì)單元，給每一個(gè)設(shè)計(jì)單元賦予一個(gè)材料屬性，材料屬性是指一種復(fù)合材料鋪層和相應(yīng)復(fù)合材料的材料特性；⑵選擇需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量有：設(shè)計(jì)單元個(gè)數(shù)n、設(shè)計(jì)單元位置、設(shè)計(jì)單元鋪層角度α，-90°≤α≤90°，α為整數(shù)度；⑶根據(jù)選取的設(shè)計(jì)單元個(gè)數(shù)n、每個(gè)設(shè)計(jì)單元的面積si和每個(gè)設(shè)計(jì)單元的初始厚度ti，計(jì)算出設(shè)計(jì)單元的初始總體積V，然后進(jìn)入優(yōu)化流程，優(yōu)化流程分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)，優(yōu)化從外循環(huán)開始；⑷外循環(huán)優(yōu)化的步驟是：4.1分別在每一個(gè)設(shè)計(jì)單元的表面添加某一角度α和厚度δi的復(fù)合材料鋪層，某一角度是指復(fù)合材料鋪層角度α，-90°≤α≤90°,厚度δi是通過以下公式計(jì)算得到：每一個(gè)設(shè)計(jì)單元在完成添加后形成一個(gè)新的計(jì)算模型，計(jì)算模型是有限元求解軟件的輸入文件；4.2計(jì)算每一個(gè)計(jì)算模型的敏度，敏度的計(jì)算公式為：Sen＝FI0-FIiSen：敏度FI0：未添加鋪層的模型的最大失效系數(shù)FIi：計(jì)算模型i的最大失效系數(shù)密度越大表明在相應(yīng)的設(shè)計(jì)單元上添加相同重量鋪層獲得的最大失效系數(shù)減小最多；4.3根據(jù)每一個(gè)計(jì)算模型的敏度，按照其數(shù)值大小將設(shè)計(jì)單元進(jìn)行排序；⑸內(nèi)循環(huán)優(yōu)化的步驟是：5.1將選取的設(shè)計(jì)單元個(gè)數(shù)n與設(shè)計(jì)單元的鋪層角度α進(jìn)行二進(jìn)制編碼作為遺傳算法的兩段獨(dú)立“基因”，基因長短與變量的取值范圍有關(guān)，兩段基因組成遺傳算法的染色體X，染色體X也稱為個(gè)體X；5.2第一代遺傳算法計(jì)算中，在染色體集中采用隨機(jī)投點(diǎn)的辦法，生成遺傳算法的初始種群，種群大小選為設(shè)計(jì)單元個(gè)數(shù)的1～4倍；5.3根據(jù)種群中個(gè)體X的基因，按照遺傳算法的解碼規(guī)則進(jìn)行二進(jìn)制解碼，得到個(gè)體的表現(xiàn)型，一個(gè)個(gè)體的表現(xiàn)型即為添加的設(shè)計(jì)單元的個(gè)數(shù)值m與m個(gè)設(shè)計(jì)單元添加的鋪層角度α的組合，根據(jù)每一個(gè)個(gè)體表現(xiàn)型的m值，在本步外循環(huán)敏度排序中選取前m個(gè)設(shè)計(jì)單元，計(jì)算該m個(gè)設(shè)計(jì)單元的總面積，然后得到該m個(gè)設(shè)計(jì)單元的添加的鋪層厚度Δt，鋪層厚度Δt計(jì)算如下：5.4根據(jù)添加的設(shè)計(jì)單元的鋪層厚度Δt和設(shè)計(jì)單元添加的鋪層角度α，修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)單元的材料屬性，得到PopSize個(gè)新模型，然后計(jì)算每個(gè)模型的最大失效系數(shù)，得到PopSize個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度，適應(yīng)度越大，表示最大失效系數(shù)越小，層合板強(qiáng)度越大；5.5根據(jù)適應(yīng)度的大小，進(jìn)行遺傳算法的選擇、交叉、變異操作，形成新的種群，再進(jìn)行上述5.3～5.4的操作。經(jīng)過若干代的遺傳和進(jìn)化操作，當(dāng)最大失效系數(shù)趨于收斂時(shí)，停止遺傳變異操作，可以得到本步種群中的最優(yōu)個(gè)體,即在最佳的設(shè)計(jì)單元上添加的最佳的鋪層角度，形成本步的最佳設(shè)計(jì)模型，內(nèi)循環(huán)結(jié)束；此時(shí)如模型最大失效系數(shù)達(dá)到要求的最大失效系數(shù)，則結(jié)束整個(gè)優(yōu)化流程，如果未達(dá)到要求，則進(jìn)入下一步外循環(huán)，該模型作為下一步外循環(huán)的初始模型。在上述前期優(yōu)化后，采用本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行隨后的后處理過程，其步驟是：⑴統(tǒng)計(jì)初始模型信息按照復(fù)合材料層合板優(yōu)化后模型1的文件格式要求，采用VisualC++軟件編寫后處理程序一。利用后處理程序一，自動(dòng)采集復(fù)合材料層合板優(yōu)化后模型1中各優(yōu)化單元2的單元編號(hào)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)復(fù)合材料層合板優(yōu)化后模型1中各優(yōu)化單元2的幾何信息和鋪層信息，并將這些數(shù)據(jù)寫入統(tǒng)計(jì)信息文件info.txt，作為第一次等效剛度轉(zhuǎn)換的輸入?yún)?shù)。其中復(fù)合材料層合板有限元模型見附圖1，該模型共包含320塊四邊形板單元。優(yōu)化后模型1文本文件截圖見附圖2。采用MSC.PATRAN顯示優(yōu)化后模型1中各優(yōu)化單元2鋪層厚度二維/三維圖，見附圖3。由附圖3不難看出，優(yōu)化后模型1中各優(yōu)化單元厚度高低不平，各種“凹坑”和“凸起”等奇異單元很多。在復(fù)合材料層合板有限元模型中，一個(gè)優(yōu)化單元對(duì)應(yīng)一個(gè)材料屬性，即MSC.NASTRAN提供的材料性質(zhì)定義PCOMP卡，且所有PCOMP卡都按一定順序自動(dòng)編號(hào)。上述各優(yōu)化單元2的單元編號(hào)是指優(yōu)化后模型1中各優(yōu)化單元2的單元屬性編號(hào)，這可以通過對(duì)優(yōu)化后模型1文本文件中各優(yōu)化單元2進(jìn)行查找并依次匹配的方法進(jìn)行采集。上述各優(yōu)化單元2的幾何信息包括優(yōu)化后模型1中各優(yōu)化單元2的各結(jié)點(diǎn)三向坐標(biāo)Xij、Yij、Zij(i＝1，2…n，j＝1，2...，3或4)、中心點(diǎn)坐標(biāo)Xi、Yi(i＝1，2…n)和單元面積Si(i＝1，2…n)。優(yōu)化單元2中各結(jié)點(diǎn)三向坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以通過后處理程序一，先搜索該優(yōu)化單元的材料屬性PCOMP卡編號(hào)，再在該P(yáng)COMP卡中找到對(duì)應(yīng)的優(yōu)化單元CQUAD4的四個(gè)結(jié)點(diǎn)號(hào)，最終根據(jù)四個(gè)結(jié)點(diǎn)號(hào)找到對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)GRID三向坐標(biāo)Xij、Yij、Zij(i＝1，2…n，j＝1，2...，3或4)。該優(yōu)化單元的中心點(diǎn)坐標(biāo)Xi、Yi(i＝1，2…n)可以通過該優(yōu)化單元四個(gè)結(jié)點(diǎn)的三向坐標(biāo)求得，見公式1。該優(yōu)化單元的單元面積Si(i＝1，2…n)可以根據(jù)已讀取的四邊形四個(gè)結(jié)點(diǎn)的三向坐標(biāo)數(shù)據(jù)，先計(jì)算該優(yōu)化單元各邊邊長Lij(i＝1，2…n，j＝1，2...，3或4)，見公式2；再將該優(yōu)化單元拆分成兩個(gè)三角形，采用海倫公式分別計(jì)算兩個(gè)三角形面積，這兩個(gè)三角形面積之和就是該優(yōu)化單元的面積，海倫公式見公式3。上述各優(yōu)化單元2的鋪層信息包括優(yōu)化后模型1中各優(yōu)化單元2的鋪層層數(shù)Ni(i＝1，2…n)、鋪層厚度Ti(i＝1，2…n)、鋪層體積Vi(i＝1，2…n)及所有優(yōu)化單元的總體積V。其中各優(yōu)化單元2的鋪層層數(shù)Ni和鋪層厚度Ti通過后處理程序一，依次將該優(yōu)化單元的材料屬性PCOMP卡下的所有鋪層依次累加即可。各優(yōu)化單元2的鋪層體積Vi通過將鋪層厚度Ti與前面統(tǒng)計(jì)的該優(yōu)化單元面積Si相乘得到，見公式4。將各優(yōu)化單元2的鋪層體積Vi相加即得到鋪層總體積V，見公式5。Vi＝Ti×Si(i＝1，2…n)公式4表1列出了后處理程序一對(duì)優(yōu)化后模型1所提取的部分優(yōu)化單元2的基本信息。表1優(yōu)化后模型1中部分優(yōu)化單元2的基本信息⑵對(duì)各優(yōu)化單元2進(jìn)行第一次等效剛度轉(zhuǎn)換，并修改優(yōu)化后模型1采用已有的復(fù)合材料層合板等效剛度轉(zhuǎn)換程序，并設(shè)定各單個(gè)鋪層厚度為0.12mm，按照復(fù)合材料層合板三向剛度等效原則，在保證各優(yōu)化單元2剛度相等且體積基本一致的情況下，將優(yōu)化后模型1中各優(yōu)化單元2的鋪層角度轉(zhuǎn)換成0°、±45°、90°四種角度。復(fù)合材料層合板三向剛度等效轉(zhuǎn)換示意圖見附圖4。完成上述第一次等效剛度轉(zhuǎn)換后，根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的各優(yōu)化單元2的鋪層厚度和鋪層角度，得到臨時(shí)模型一。統(tǒng)計(jì)臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元2的鋪層信息，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，采用后處理程序一自動(dòng)更新統(tǒng)計(jì)信息文件info.txt。⑶各優(yōu)化單元2的鋪層厚度曲面擬合處理3.1以臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元2的中心點(diǎn)坐標(biāo)Xi、Yi(i＝1，2…n)分別作為橫、縱坐標(biāo)輸入?yún)?shù)，以各優(yōu)化單元2的鋪層厚度Ti(i＝1，2…n)作為豎坐標(biāo)輸入?yún)?shù)，將臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元2離散成三維空間內(nèi)散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)。3.2采用基于最小二乘算法的多項(xiàng)式曲面擬合方法，對(duì)三維空間散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)以鋪層厚度為目標(biāo)進(jìn)行曲面擬合，其中多項(xiàng)式曲面方程采用雙三次曲面方程。雙三次曲面方程式見公式6，多項(xiàng)式系數(shù)共有16項(xiàng)。f(x，y)＝{c0+c1x+c2y+c3x2+c4xy+c5y2+c6x3+c7x2y+c8xy2+c9y3+c10xy3+c11x2y2+c12x3y+c13x2y3+c14x3y2+c15x3y3公式6數(shù)據(jù)擬合采用一套專業(yè)的數(shù)學(xué)優(yōu)化分析綜合工具軟件包1stOpt，編寫數(shù)據(jù)擬合代碼并加入擬合原始數(shù)據(jù)，即可對(duì)這些散亂數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合。多項(xiàng)式曲面擬合代碼截圖見附圖5。附圖6為多項(xiàng)式曲面擬合相似度及誤差截圖。臨時(shí)模型一經(jīng)過擬合后各優(yōu)化單元2鋪層厚度曲面分布圖見附圖7。表2列出了在多項(xiàng)式曲面擬合完成后，雙三次曲面方程的各項(xiàng)系數(shù)。表2多項(xiàng)式曲面擬合參數(shù)3.3多項(xiàng)式曲面擬合完成后，從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度對(duì)所得到的臨時(shí)鋪層厚度進(jìn)行修正。采用MSC.NASTRAN對(duì)臨時(shí)模型一進(jìn)行有限元線性靜力計(jì)算，計(jì)算出臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元2的應(yīng)力，并得到臨時(shí)模型一各優(yōu)化單元2的無因次應(yīng)力分布圖，見附圖8。找到臨時(shí)模型一中臨時(shí)鋪層厚度最大的優(yōu)化單元的應(yīng)力，并將其他優(yōu)化單元2的應(yīng)力與該優(yōu)化單元進(jìn)行比較。若應(yīng)力大于該優(yōu)化單元，則將其臨時(shí)鋪層厚度調(diào)整為該優(yōu)化單元的鋪層厚度；若應(yīng)力小于該優(yōu)化單元，則保持其臨時(shí)鋪層厚度不變。修正處理完成后，得到臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元(2)的鋪層新厚度：Ti′(i＝1，2…n)。⑷修改臨時(shí)模型一采用VisualC++軟件編寫后處理程序二，自動(dòng)對(duì)臨時(shí)模型一中各優(yōu)化單元2的鋪層新厚度：Ti′(i＝1，2…n)與其對(duì)應(yīng)的原優(yōu)化后模型1中各優(yōu)化單元2的鋪層厚度Ti(i＝1，2…n)進(jìn)行比較，并計(jì)算兩者的差值ΔTi，即：ΔTi＝Ti′-Ti(i＝1，2…n)公式7根據(jù)差值ΔTi，選取以下方式之一對(duì)臨時(shí)模型一中優(yōu)化單元2的鋪層厚度進(jìn)行修改。a若ΔTi≥0.05mm，即認(rèn)為經(jīng)過擬合后該優(yōu)化單元鋪層厚度有所增加。在修改臨時(shí)模型一文件時(shí)，在該優(yōu)化單元原有鋪層基礎(chǔ)上，后處理程序二自動(dòng)修改該優(yōu)化單元所對(duì)應(yīng)的材料屬性PCOMP卡，對(duì)其添加厚度為ΔTi的鋪層，其中添加的各鋪層角的厚度比例b若ΔTi≤-0.05mm，即認(rèn)為經(jīng)過擬合后該優(yōu)化單元鋪層厚度有所減少。在修改臨時(shí)模型一文件時(shí)，后處理程序二對(duì)該優(yōu)化單元自動(dòng)減去厚度為|ΔTi|的復(fù)合材料鋪層，并且針對(duì)該優(yōu)化單元所對(duì)應(yīng)的PCOMP卡按照自下向上依次減少鋪層的方式，直到滿足要求。c若|ΔTi|＜0.05mm，即認(rèn)為經(jīng)過擬合后該優(yōu)化單元鋪層厚度變化不大，則不對(duì)該優(yōu)化單元的鋪層厚度做任何改動(dòng)。依次針對(duì)臨時(shí)模型一中所有優(yōu)化單元2的鋪層厚度進(jìn)行比較及修改后，得到臨時(shí)模型二。⑸按上述步驟⑵，對(duì)臨時(shí)模型二中的各優(yōu)化單元2進(jìn)行第二次等效剛度轉(zhuǎn)換，得到最終新模型。后處理完成后，新模型中各優(yōu)化單元2的鋪層厚度分布散點(diǎn)圖見附圖9，圖中圓圈代表新模型中各優(yōu)化單元2的鋪層厚度。采用MSC.PATRAN顯示新模型中各優(yōu)化單元2的鋪層厚度二維/三維圖，見附圖10。新模型中各優(yōu)化單元2的各單層鋪層角度/厚度示意圖見附圖11。由附圖9、10和11不難看出，后處理完成后新模型中已完全消除了“凸起”和“凹坑”等奇異單元，各優(yōu)化單元2的各單層鋪層角度都已規(guī)整為0°、±45°、90°四種工程常用角度，各優(yōu)化單元2的各單層鋪層厚度都已規(guī)整為0.12mm。采用已編制的后處理程序一，重新統(tǒng)計(jì)新模型中各優(yōu)化單元2的鋪層總體積，并采用有限元分析軟件MSC.NASTRAN對(duì)新模型進(jìn)行線性靜力計(jì)算分析，得到計(jì)算結(jié)果文件。讀取結(jié)果文件中各優(yōu)化單元2的應(yīng)力/應(yīng)變信息，采用Tsai-wu張量準(zhǔn)則分別求得各優(yōu)化單元2的各單層鋪層最大失效系數(shù)FI，并與原優(yōu)化后模型1的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行比較。優(yōu)化后模型1和新模型中所有優(yōu)化單元2的鋪層總體積統(tǒng)計(jì)圖見附圖12。優(yōu)化后模型1和新模型中所有優(yōu)化單元2的最大失效系數(shù)見附圖13。結(jié)果顯示，后處理完成后，相比優(yōu)化后模型1，得到的新模型中鋪層總體積大約增加3.06％，體積增量較小。新模型中所有優(yōu)化單元2的最大失效系數(shù)FI都小于1。根據(jù)Tsai-wu張量準(zhǔn)則，當(dāng)FI＞1，表示該單元鋪層不能滿足強(qiáng)度要求，會(huì)發(fā)生失效；反之當(dāng)FI≤1，表示該單元鋪層滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)發(fā)生失效，且FI越小表明該單元鋪層越容易滿足強(qiáng)度要求。顯而易見，后處理完成后，新模型中所有優(yōu)化單元2全都滿足強(qiáng)度要求，且新模型中大部分優(yōu)化單元2的最大失效系數(shù)FI小于優(yōu)化后模型1。由基于工程的復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化后處理方法過程及相關(guān)的數(shù)據(jù)與圖表，可以得出如下結(jié)論：1.在對(duì)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，可以同時(shí)將優(yōu)化單元鋪層厚度增量、鋪層角度和鋪層位置作為設(shè)計(jì)變量，不需要事先考慮工程可實(shí)現(xiàn)問題而約束優(yōu)化單元鋪層角度比例、鋪層位置和單次添加厚度，這樣保證了優(yōu)化算法能在所有可行解的搜索空間內(nèi)尋優(yōu)，最大限度地提高了算法的開采能力。本方法針對(duì)復(fù)合材料層合板精細(xì)化設(shè)計(jì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行后處理，通過對(duì)鋪層厚度擬合和鋪層角度等效剛度轉(zhuǎn)換，保證了精細(xì)化設(shè)計(jì)能在工程上得以實(shí)現(xiàn)，并通過一個(gè)復(fù)合材料層合板平板模型后處理進(jìn)行驗(yàn)證。2.通過對(duì)復(fù)合材料層合板優(yōu)化后的模型信息進(jìn)行提取，并以各優(yōu)化單元鋪層厚度為目標(biāo)進(jìn)行多項(xiàng)式曲面擬合處理。這種處理方法在最大限度保證優(yōu)化結(jié)果的同時(shí)，還使得各優(yōu)化單元邊界連續(xù)光順，且有效去除了層合板結(jié)構(gòu)在優(yōu)化過程中出現(xiàn)的“凸起”和“凹坑”等奇異單元，易于工程實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，從層合板實(shí)際受力的結(jié)構(gòu)力學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)層合板各優(yōu)化單元應(yīng)力分布情況，對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行局部約束，保證了擬合結(jié)果真正契合實(shí)際情況，更加科學(xué)合理。3.按照復(fù)合材料層合板三向剛度等效原則，對(duì)擬合處理后的模型中所有優(yōu)化單元進(jìn)行等效剛度轉(zhuǎn)換，其結(jié)果顯示，新模型中各優(yōu)化單元鋪層角度都已轉(zhuǎn)化成0°、±45°、90°四種工程常用角度，且各優(yōu)化單元的各單層鋪層厚度都已轉(zhuǎn)變?yōu)橹付▎螌雍穸?.12mm。4.本后處理方法中針對(duì)復(fù)合材料層合板模型基本信息的提取、建立參數(shù)化擬合模型、模型曲面擬合、自動(dòng)修改模型、模型等效剛度轉(zhuǎn)換和計(jì)算結(jié)果提取等步驟，都是通過編制程序或采用專業(yè)軟件自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，后處理方法效率高。5.新模型線性靜力計(jì)算結(jié)果顯示，新模型中所有優(yōu)化單元的最大失效系數(shù)都小于1，即全都滿足強(qiáng)度要求；且新模型中大部分優(yōu)化單元的最大失效系數(shù)小于優(yōu)化后模型1，即新模型能更容易滿足強(qiáng)度性能要求，該模型力學(xué)性能得到進(jìn)一步改善。6.復(fù)合材料層合板優(yōu)化后模型1中各優(yōu)化單元的鋪層總體積為50139.1mm3，而新模型中各優(yōu)化單元的鋪層總體積為51674.0mm3。相比優(yōu)化后模型1，新模型中所有優(yōu)化單元鋪層總體積大約增加3.06％，體積增量較小，工程上可以接受。