基频约束下复合材料结构轻量化设计

介绍了一种利用优化技术对复合材料层合结构进行轻量化设计的方法。建立轻量化设计优化模型的目的是最大限度地减轻基频约束下复合材料层合结构的质量。设计变量是纤维的体积分数和纤维层的取向。首先计算出质量和频率相对于设计变量的导数。利用罚函数内点法，将轻量化设计优化模型转化为一系列的线性约束优化问题。利用质量和频率的灵敏度来计算惩罚函数的灵敏度。提出了一种基于梯度投影算法的优化方法。利用所提出的优化方法对复合材料层合板进行了轻量化设计。

提出了一种基于频率灵敏度分析法的复合材料层合结构在振动环境下的轻量化设计方法。数值计算结果表明，所提出的优化模型和计算程序能够有效地实现复合材料层合结构的轻量化设计。基频值的初始设计非常接近允许极限值，复合材料层合结构还可通过调整纤维的层体积分数，使其满足约束条件。纤维体积分数的最佳分布说明，在振动环境中，叠层复合结构是合理的结构形式。所提出的轻量化设计方法适用于边界条件复杂的大型工程复合材料结构，也适用于静态强度约束。

由于复合材料层合结构具有较高的比强度、比刚度，以及良好的疲劳性能及耐腐蚀性，因此其在汽车产业中的应用越来越多，其可作为汽车的轻质材料，以节省能源并减少碳排放。

刊名：Composite Structures（英）刊期：2015年第2期

作者：Juha Paavola

编译：王亮