基于多保真代理模型的复合材料固化变形修正技术研究

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复合材料制件由于具有多尺度和材料分散特点,在固化成型过程中不可避免的产生变形。其影响因素复杂导致工艺不稳定,大大影响制件性能与装配成本。因而需要分析固化变形产生的原因,优化复合材料制件设计参数从而达到减小变形的目的。针对上述问题,本文提出了一种基于代理模型的复合材料制件固化变形修正方法,开发了集多尺度、多区域固化变形有限元分析、基于Kriging模型的固化变形代理模型建模、基于多保真代理模型的固化变形修正于一体的集成系统。为提高有限元分析精度,建立更接近真实的复合材料几何模型是必要的。本文分析了不同尺度、不同区域复合材料制件物理特性的差异,建立了复合材料多尺度几何模型。通过微观模型计算各区域材料属性,基于ABAQUS二次开发实现了材料区域非线性的固化变形有限元分析。为解决基于有限元计算的固化变形迭代修正计算复杂的问题,需要利用代理模型替代原数值模型。从结构、材料、工艺三个方面分析了固化变形产生的原因,提出了一种基于多尺度几何的固化变形高、低保真代理模型建模方法。利用拉丁超立方建立高、低保真样本数据集,并分别对其进行固化变形有限元分析得到响应数据。利用Kriging方法分别建立高、低保真固化变形代理模型,其中低保真代理模型基于厚度等宏观参数建立,高保真代理模型引入微观尺度变量,用层数及单层厚度代替厚度,纤维直径与纤维间距代替纤维体积分数。基于样本及响应数据进行模型训练,得到了与复合材料多尺度几何映射的高、低保真固化变形代理模型。为实现高精度和快速优化计算,提出了一种基于多保真代理模型的固化变形修正方法。采用Co-Kriging方法,以L板固化变形低保真代理模型为全局趋势,高保真数据进行结果校准,实现了低保真与高保真代理模型的耦合,通过增加样本点提高多保真代理模型固化变形预测精度。建立了固化变形修正模型,构建代理模型更新策略实现在优化迭代中的更新。将自适应交叉变异率与种群数量指数缩减方法应用于遗传算法求解,采用L板算例验证了固化变形修正方法的正确性。为从应用角度验证固化变形修正的正确性,开发了复合材料固化变形修正软件。该软件以数学建模软件为数据处理核心,以ABAQUS为有限元求解器,以QT为软件界面开发工具,实现了固化变形有限元分析、代理模型求解与固化变形修正的集成,并以L形复合材料制件为例验证了固化变形修正方法的正确性。
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