基于多岛遗传算法的复合材料缠绕壳体封头分区补强优化

作     者：祖磊 许辉 张骞 张桂明 吴乔国 耿洪波 郭晓东 胡海晓 ZU Lei;XU Hui;ZHANG Qian*;ZHANG Guiming;WU Qiaoguo;GENG Hongbo;GUO Xiaodong;HU Haixiao

作者机构：合肥工业大学机械工程学院合肥230009 先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心(佛山仙湖实验室)佛山528000 合肥工业大学土木工程学院合肥230009 内蒙古航天红岗机械有限公司呼和浩特010000 

出 版 物：《复合材料学报》 (Acta Materiae Compositae Sinica)

年 卷 期：2022年第39卷第7期

页      面：3616-3628页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(51875159) 先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心(佛山仙湖实验室)开放基金(XHT 2020-002) 霍英东教育基金(171046) 中央高校基本科研业务费专项资金(PA2020GDJQ0029,PA2020GDSK0075,JZ2020HGQA0197,JZ2021HGTA0178,JZ2021HGQB0274) 2021年有机无机复合材料国家重点实验室开放项目(Oic-202001008,Oic-202101008)。 

主　　题：复合材料缠绕 复合材料壳体 封头补强 分区优化 渐进损伤 

摘      要：针对Ф150 mm非等极孔复合材料缠绕壳体,开展了水压爆破试验研究,并通过建立基于三维Hashin失效准则的壳体精细化渐进损伤有限元模型,对壳体复合材料失效模式、爆破位置以及爆破压强进行了准确预测,以验证有限元模型的可靠性。以此为基础,根据壳体封头应力分布状态,建立了基于多岛遗传算法的封头分区补强优化模型,对补强层数和补强角度进行优化,揭示了不同分区补强角度及其耦合作用对封头纤维应力的影响机制,继而获得不同分区最优的补强角度及补强层数,并通过分区补强试验进行验证。结果表明,封头赤道圆至金属接头肩部区域补强角度对纤维应力的影响更为显著,宜采用小角度进行补强;而接头肩部至极孔范围内需采用较大角度分别对轴向和环向进行补强。通过分区补强水压爆破试验结果可知,壳体爆压提高了37.5%,壳体特性系数提高16.6%,说明该优化模型是准确且可靠的。