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申请/专利权人：北京电子工程总体研究所

摘要：本发明提出一种铝基复合材料动力学模拟方法，其包括步骤：第1步，建立试验结构的有限元模型；第2步，开展模态或振动试验，获取结构动力学特性；第3步，优化参数，其包括，子步骤A、设置优化变量，子步骤B、设置约束条件，子步骤C、设置目标函数，子步骤D、设置优化算法参数，子步骤E、开展优化计算。该发明采用实体单元结合各向异性材料属性作为建模模型，结合动力学试验结果修正模型参数，从而得到高精度的仿真模型。在工程高刚度支架上的应用表明，该方法能够有效的模拟复合材料复杂薄壁结构的动力学特性，与试验结果一致性好，适用于铝基复合材料工程结构的高精度建模和仿真。

主权项：1.一种铝基复合材料动力学模拟方法，其特征在于，所述方法包括步骤：第1步，建立试验结构的有限元模型：根据复合材料支架各部位材料和功能不同将有限元模型分为第一设备安装法兰、侧壁和第二设备安装法兰；设备安装支架各部分采用六面体单元Hex8模拟，第一设备安装法兰、第二设备安装法兰各部分之间采用节点重合进行连接，为模拟实际工作环境建立第一设备配重和第二设备配重的有限元模型，采用四面体单元Tet4模拟，第一设备配重、第二设备配重与各自安装法兰之间采用RBE2和梁单元进行连接；根据结构设计参数，第一设备和第二设备的配重采用钢材料参数进行模拟，设备安装支架复合材料特性采用三维正交各向异性材料模拟，三维正交各向异性材料的应力-应变关系为 其中，σ1、σ2、σ3、τ12、τ23、τ31分别是六方向应力分量，ε1、ε2、ε3、γ12、γ23、γ31分别为六方向应变分量，Gij为刚度分量，i＝1,2,…,6，j＝1,2,…,6，由材料理论可知Gij＝Gji，独立的材料常数为9个；在应用三维正交各向异性材料定义单元属性时需指定参考坐标系，以用于判断材料三轴方向，第一设备安装法兰和第二设备安装法兰采用直角坐标系定义；设备支架侧壁成锥状体，采用参数化柱坐标系，定义初始柱坐标系A，初始柱坐标系三轴分别代表半径R轴、转动角度T轴和轴向高度Z轴；采用欧拉角变化法定义参数化柱坐标系，定义参数化坐标系绕初始柱坐标系A的Z轴旋转，得到对应各有限元单元的当地参数化柱坐标系R轴和T轴，参数化柱坐标系绕第一柱坐标系A的R轴旋转相应结构锥角8.39度，从而得到每一单元的局部参数化柱坐标系完成定义；柱坐标系坐标值表示为RθZ，对支架侧壁结构R分量为面法线方向，θ和Z为面内方向；第2步，开展地面试验：为获得复合材料支架结构的动力学特性，并作为参数优化的目标；针对复合材料支架开展模态试验和振动试验；第3步，优化材料参数：子步骤A、设置优化变量：根据支架各部位结构特点和复合材料铺层设计结果，分别对支架设备1安装法兰、设备2安装法兰和支架侧壁的材料属性进行优化，根据铺层参数设计结果，设备1安装法兰和设备2安装法兰铺层结构和材料特性相同，从而合并优化，共针对10个变量开展优化分析： 子步骤B、设置约束条件：在复合材料有限元计算中，刚度矩阵为正定矩阵才能够开展分析，即刚度矩阵为正定矩阵有限元模型才能够反映真实情况，因此需要对优化参数进行约束，约束条件如下Gij0将不满足条件的变量组合进行剔除，在优化算法中将不满足上述条件参数组合的目标函数设置为极大值，从而在优化程序选择时自动排除，子步骤C、设置目标函数以各阶模态频率为优化的目标函数，本支架设计中以前五阶共振频率为优化目标，建立目标函数为 其中，fCal表示有限元计算值，fCal1、fCal2、fCal4、fCal5、fCal6分别为有限元计算模型的第1、2、4、5、6阶模态频率，fExp表示试验测试值，fExp1、fExp2、fExp4、fExp5、fExp6分别为模态试验得到的第1、2、4、5、6阶模态频率，经过有限元模型预分析建立对应模态的目标函数，由于第三阶模态为呼吸模态，不作为优化目标，目标函数越小表明优化参数样本计算得到的结果与试验结果一致性越好；子步骤D、设置优化算法参数：遗传算法需要对优化算法参数进行设置，单次优化参数包括：每代种群规模、优化代数、代沟、变异率、变量二进制代码位数；优化变量采用二进制编码进行参数化，需要制定代码位数定义优化精度，当变量范围为100～200，二进制代码位数为6时，优化精度为200-10026＝3.125；参数设置时种群规模、优化代数根据可承受的计算时间进行选取，代沟和变异率选取为0.9和0.1，优化参数如下： 优化参数 数值 每代种群规模 20 优化代数 40 代沟 0.9 变异率 0.1 变量二进制代码位数 6 子步骤E、开展优化计算。

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