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申请/专利权人：西北工业大学;西北工业大学深圳研究院

摘要：本发明公开了一种纤维增强复合材料变刚度优化设计方法、系统与设备，涉及纤维增强复合材料结构优化设计技术领域，包括：初始化离散纤维增强复合材料的纤维铺角设计变量；构建设计变量相关单元弹性本构矩阵，进行性能分析；求解柔顺性目标函数对设计变量灵敏度信息；构造开孔区域的多点保形约束，获取保形约束对微观设计变量灵敏度信息；建立以最小化结构柔顺性为目标，以保形区域变形能为约束的优化模型；以最优的设计变量作为考虑保形约束的纤维增强复合材料变刚度优化设计结果。本发明有效地抑制纤维增强复合材料结构开孔区域的翘曲变形，实现复合材料开孔结构保形约束的最小化结构柔顺性变刚度优化设计。

主权项：1.一种纤维增强复合材料变刚度优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：获取离散纤维增强复合材料结构单元铺角的设计变量；使用所述设计变量构建离散备选纤维铺角的单元弹性本构矩阵，对单元弹性本构矩阵进行积分后获得单元刚度矩阵，并对多个单元刚度矩阵组集获得结构整体单元刚度矩阵，且通过静力学对结构整体单元刚度矩阵进行分析，获得结构位移响应；所述使用所述设计变量构建离散备选纤维铺角的单元弹性本构矩阵，包括如下步骤：基于正态分布纤维优化NDFO材料插值格式，获取离散备选纤维铺角的单元弹性本构矩阵，具体公式表述为： 其中，xi,j是离散纤维铺角个数设计变量，是备选离散纤维铺角个数指示数，NCan是总的备选离散纤维铺角个数，为第i层第j个单元第个备选离散纤维铺角对应弹性本构阵，是采用NDFO材料插值方法后的第i层第j个单元弹性本构阵，为正态分布纤维优化材料插值方法惩罚参数，该惩罚参数下降方式是线性的，具体参见如下公式： 其中，α是惩罚参数下降系数，是第k步的正态分布纤维优化材料插值方法惩罚参数，是第k+1步的正态分布纤维优化材料插值方法惩罚参数；以所述结构位移响应作为结构目标函数来获取结构柔顺性，并对结构柔顺性进行最小化操作，获得结构柔顺性对离散纤维铺角设计变量的显式灵敏度信息；计算表达式为： 其中，是设计变量的灵敏度信息，C为结构的柔顺性最小化为目标函数，表示为C＝KF，K为总体刚度、U、F分别为总体位移和载荷向量，UT为U的转置，B为应变-位移矩阵，BT为B的转置，Ωi,j为第i层第j个单元积分域；其中： 其中，为获取离散备选纤维铺角弹性本构矩阵的中间参数；构造离散纤维增强复合材料开孔区域的多点保形约束，并获取多点保形约束对设计变量的灵敏度信息；包括如下步骤：获取保形区域AWE的变形能CAWE，具体表达式为： 其中，UAWE为保形区域AWE上节点位移向量；KAWE为刚度矩阵，T为转置；将变形能CAWE两端同时进行设计变量xi,j的偏导求解，具体表达式为： 利用设计变量的值和所有灵敏度信息构建近似函数，通过近似函数对结构柔顺性最小化的优化目标进行迭代更新，获得最优的设计变量，并以最优的设计变量作为考虑保形约束的纤维增强复合材料变刚度优化的设计结果。

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