一种辐板、铺层方法及铺层优化方法与流程

1.本发明属于辐板铺层技术领域，特别涉及一种辐板、铺层方法及铺层优化方法。


背景技术：

2.连续纤维增强复合材料除了拥有优异的力学性能外，结构设计上高度的灵活性同样是其一大特性。不同于常见的金属材料结构，连续纤维增强复合材料结构件往往需要由一层一层的预浸料进行堆叠才能得到相应预制件的形状尺寸，整个结构包含厚度变化、铺层层数、铺层角度、铺层顺序等诸多结构信息。
3.为了对传动系统进行进一步的减重，提高比功率。碳纤维齿轮辐板作为金属齿轮辐板轻量化的替代品，可以为整体结构带来显著的减重，同时满足所要求的结构性能。但如何使碳纤维辐板具有最佳的力学性能是一大难题。除了进行传统的结构设计与优化外，根据结构的受载特点，通过特定的铺层设计与优化同样可以显著提升碳纤维辐板结构的力学性能。但结构的复杂性带来了铺层数目、铺层角度多等设计问题，使得当前碳纤维辐板铺层设计优化还停留在传统的经验法。如何高效地得到碳纤维齿轮辐板的最佳铺层顺序，得到更好的结构性能是有待解决的问题。
4.当前国内外对于碳纤维齿轮辐板的铺层设计优化还较为少见。其中anderson等人在对先进传动系统中的齿轮进行碳纤维轻量化设计时，列举了多种不同的铺层设计顺序，并对比了不同铺层设计所对应的结构性能。他们首先构建了如图1所示的碳纤维齿轮辐板铺层cae模型，通过对每一层铺层单元的构建，准确地表达出了辐板结构的铺层信息。在铺层顺序优化时，他们对比了常见的[0
°
,+45
°
,-45
°
,90
°
]、[0
°
,+60
°
,-60
°
,90
°
]、[0
°
,+60
°
,-60
°
,+60
°
,-60
°
,90
°
]铺层所对应的分析结果。
[0005]
anderson等人提出的碳纤维齿轮辐板铺层设计方法很好地反应出铺层设计对于辐板结构的力学性能会产生较大的影响，并且他们基于经验法给出了相应的铺层设计指导。但是，对于最佳的铺层顺序探索他们并未解决。
[0006]
因此当前对于碳纤维齿轮辐板的铺层设计与优化还处于初期阶段，这使得结构的潜能不能被完全挖掘，使得辐板铺层的过程趋向于保守，因此亟需开发一种铺层方法与优化方法完善整个碳纤维齿轮辐板的铺层过程。


技术实现要素：

[0007]
为了解决背景技术中至少一个问题，本发明提出一种辐板、铺层方法及铺层优化方法。
[0008]
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0009]
一种辐板，所述辐板为中心设置有轴孔的回转体结构，所述辐板的回转截面包括：
[0010]
区块ⅰ，为辐板最内侧区域，沿辐板第一径向厚度不变；
[0011]
区块ⅱ，与区块ⅰ连接，沿辐板第一径向厚度不变；
[0012]
区块ⅲ，为用于连接区块ⅰ和区块ⅱ的加强筋，所述区块ⅲ沿第一径向厚度逐渐减
小；
[0013]
区块ⅳ，与所述区块ⅱ远离区块ⅰ的一端连接，且所述区块ⅳ沿第一径向厚度逐渐减小；
[0014]
区块
ⅴ
，与所述区块ⅳ远离区块ⅳ的一端连接，且所述区块
ⅴ
沿第一径向厚度逐渐减小。
[0015]
优选地，所述第一径向为所述辐板的最内侧指向辐板最外侧的方向。
[0016]
优选地，所述辐板的材料包括碳纤维。
[0017]
一种辐板的铺层方法，用于上述的辐板进行铺层，包括以下步骤：
[0018]
进行交替铺层，直至形成区块ⅳ和区块
ⅴ
中厚度逐渐减小的区域；
[0019]
进行交替铺层，直至形成区块ⅲ中厚度逐渐减小的区域。
[0020]
优选地，进行交替铺层，形成区块ⅳ和区块
ⅴ
中厚度逐渐减小的区域，包括以下步骤：
[0021]
沿第一径向对区块ⅰ、区块ⅱ、区块ⅳ和区块
ⅴ
进行连续铺层，得到第一铺层；
[0022]
或，沿第一径向对区块区块ⅱ、区块ⅳ和区块
ⅴ
进行连续铺层，得到第二铺层；
[0023]
沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层，得到第三铺层；
[0024]
第一铺层和第三铺层交替堆叠，或对第二铺层和第三铺层交替堆叠。
[0025]
优选地，进行交替铺层，直至形成区块ⅲ中厚度逐渐减小的区域，包括以下步骤：
[0026]
沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层,直至区块ⅱ最外侧，得到第四铺层；
[0027]
沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层，直至区块ⅱ的中点，得到第五铺层；
[0028]
沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层，直至区块ⅱ的厚度起始变化的部位，得到第六铺层；
[0029]
交替堆叠第四铺层、第五铺层和第六铺层。
[0030]
一种辐板的铺层优化方法，用于初始铺层，所述初始铺层为第一铺层、第二铺层、第三铺层、第四铺层、第五铺层和第六铺层中的任一个。
[0031]
优选地，铺层优化方法包括以下步骤：
[0032]
生成多组初始铺层的角度变量；
[0033]
将生成的角度变量代入辐板的有限元模型中，进行cae分析，从而得到每个初始铺层对应的目标取值；
[0034]
角度变量以及对应的目标取值作为遗传算法的初始输入参数，得到下一代铺层角度解；
[0035]
判断当前得到的铺层角度解以及对应的目标取值是否达到优化的终止条件，若解收敛或者优化达到最大迭代次数，则输出最终的收敛解。
[0036]
优选地，所述角度变量的取值为0
°
、30
°
或60
°
。
[0037]
本发明的有益效果：
[0038]
1、本发明的辐板将回转截面分为多个区块，通过对各区块按固定顺序进行铺层，得到了更优的辐板结构；
[0039]
2、本发明的辐板摆脱传统铺层方法所带来的限制，通过对辐板结构进行厚度分区，确定了碳纤维辐板的铺层方法，以及通过将cae分析与遗传算法相结合实现碳纤维辐板铺层优化的灵活性和智能性，得到理论上力学性能最佳的铺层结构；
为厚度不变的多层铺层结构，区块ⅲ、ⅳ和
ⅴ
为厚度连续变化的变铺层结构。
[0059]
需要进一步说明的是，在图3中区块ⅰ和区块ⅱ的左侧是等厚度的，在图4中,区块ⅱ的厚度是大于区块ⅰ的，这对于辐板的铺层是有影响的，下面针对这两种情况对辐板的铺层方法进行说明：
[0060]
以图3为例的辐板为例的一种辐板的铺层方法，包括以下步骤：
[0061]
s1：进行交替铺层，直至形成区块ⅳ和区块
ⅴ
中厚度逐渐减小的区域；
[0062]
s101：沿第一径向对区块ⅰ、区块ⅱ、区块ⅳ和区块
ⅴ
进行连续铺层，得到第一铺层；
[0063]
s102：沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层，得到第三铺层；
[0064]
s103：第一铺层和第三铺层交替堆叠。
[0065]
s2：进行交替铺层，直至形成区块ⅲ中厚度逐渐减小的区域。
[0066]
s201：沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层,直至区块ⅱ最外侧，得到第四铺层；
[0067]
s202：沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层，直至区块ⅱ的中点，得到第五铺层；
[0068]
s203：沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层，直至区块ⅱ的厚度起始变化的部位，得到第六铺层；
[0069]
s204：交替堆叠第四铺层、第五铺层和第六铺层。
[0070]
以图4为例的辐板在进行交底铺层时可以分为多个区域，具体如图5所示，辐板共分有(1)底层铺层设计区域；(2)中间主体铺层设计区域；(3)上层加强筋铺层设计区域。根据图4的厚度分区以及图5的铺层分区有以下的碳纤维辐板从下到上的铺层设计，具体如下：
[0071]
b1:针对底层铺层设计区域共设计有两种铺层，一种是贯穿区块ⅱ、ⅳ、
ⅴ
的铺层1，一种是只铺区块ⅱ的铺层2a。由于这两种铺层的长度不同，铺层2只铺到区块ⅱ的最右端，因此当两种铺层交替铺设时会在区域ⅳ形成铺层即厚度的变化。铺层1和铺层2a示意图如图6所示，其中r1是图2的圆心至区块ⅱ最左侧的距离，r2是图2的圆心至区块
ⅴ
最右侧的距离，r3是图2中圆心至区块ⅳ最左侧的距离。
[0072]
b2:针对中间主体铺层设计区域同样设计有两种铺层，一种是贯穿区块ⅰ、ⅱ、ⅳ、
ⅴ
的连续铺层3，另一种是只铺区块ⅱ和区块ⅲ的铺层2b。铺层3和铺层2b的示意图如图7所示，其中，r2和r3的含义与图6相同，r4表示图2中圆心至区块ⅰ最左侧的距离。同样，铺层3和铺层2b的交替铺设会在区域ⅳ形成厚度的变化。铺层1、2a、2b、3、4在底层铺层设计区域和中间主体铺层设计区域的交替铺设共同形成了区块ⅳ的连续厚度变化。
[0073]
b3:针对上层加强筋铺层设计区域，由于加强筋厚度过渡区域较长，因此共设计有三种不同尺寸的铺层，如图8所示。其中铺层4贯穿整个区块ⅰ、ⅱ；如图9所示，铺层5铺设至区块ⅱ的中间部分；如图10所示，铺层7只铺设至区块ⅱ的厚度起始变化的部位。铺层4、5和6的交替铺设形成了整个加强筋结构区域的连续厚度变化。
[0074]
需要说明的是，图4的辐板与图3的辐板的铺层方法的区别只在于图4中需要沿第一径向对区块区块ⅱ、区块ⅳ和区块
ⅴ
进行连续铺层，得到第二铺层(对应b1)，b2的步骤与s101-s103是相同的。因此第一铺层至第六铺层与铺层1至铺层6的对应关系为：第一铺层对
应铺层1，第二铺层对应铺层2a和铺层2b(即在底层铺层设计区域中，第二铺层为铺层2a，在中间主体铺层设计区域中，第二铺层为铺层2b)，第三铺层对应铺层3、第四铺层对应铺层4、第五铺层对应铺层5以及第六铺层对应铺层6。
[0075]
如图11所示，根据碳纤维辐板的铺层方法，构建了1/8辐板cae有限元分析模型。其中铺层1～6对应的层数分别为17、8、65、53、14、13、18。单层预浸料厚度约为0.21mm，铺层的角度变量可选0
°
，30
°
，60
°
。通过对每一层铺层的建模，精确地反应了结构的铺层特性，并实现了铺层角度的可变化性。
[0076]
根据建立的碳纤维辐板有限元模型以及定义的辐板铺层设计信息，可以对辐板的铺层优化流程进行进一步的确定。其中每一层铺层角度为一个设计变量，整个碳纤维辐板共有188层铺层，因此整个辐板铺层优化共含有188个变量，每个铺层可取0
°
，30
°
，60
°
铺层角度中的一种。整个优化方法如下所示：
[0077]
一种辐板的铺层优化方法，用于初始铺层，初始铺层为第一铺层、第二铺层、第三铺层、第四铺层、第五铺层和第六铺层中的任一个，包括以下步骤：
[0078]
a1：生成多组初始铺层的角度变量；变量的取值对应图11中从下到上依次的铺层角度取值。其中一些设计准则可以在此时引入。
[0079]
a2：将生成的角度变量代入辐板的有限元模型中，进行cae分析，从而得到每个初始铺层对应的目标值。
[0080]
a3：角度变量以及对应的目标值作为遗传算法的初始输入参数，初始进化输入参数，进行交叉、变异和选择操作，得到下一代铺层角度解；
[0081]
a4：判断当前得到的铺层角度解以及对应的目标值是否达到优化的终止条件，若解收敛或者优化达到最大迭代次数，则输出最终的收敛解。
[0082]
需要说明的是步骤a1-a4的流程就如图12所示，其中图12的条件框图中的优化终止条件就是判断是否解收敛或者判断优化是否达到最大迭代次数。
[0083]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种辐板，其特征在于，所述辐板为中心设置有轴孔的回转体结构，所述辐板的回转截面包括：区块ⅰ，为辐板最内侧区域，沿辐板第一径向厚度不变；区块ⅱ，与区块ⅰ连接，沿辐板第一径向厚度不变；区块ⅲ，为用于连接区块ⅰ和区块ⅱ的加强筋，所述区块ⅲ沿第一径向厚度逐渐减小；区块ⅳ，与所述区块ⅱ远离区块ⅰ的一端连接，且所述区块ⅳ沿第一径向厚度逐渐减小；区块
ⅴ
，与所述区块ⅳ远离区块ⅳ的一端连接，且所述区块
ⅴ
沿第一径向厚度逐渐减小。2.根据权利要求1所述的一种辐板，其特征在于，所述第一径向为所述辐板的最内侧指向辐板最外侧的方向。3.根据权利要求1所述的一种辐板，其特征在于，所述辐板的材料包括碳纤维。4.一种辐板的铺层方法，其特征在于，用于对权利要求1-3任一项所述的辐板进行铺层。5.根据权利要求4所述的一种辐板的铺层方法，其特征在于，包括以下步骤：进行交替铺层，直至形成区块ⅳ和区块
ⅴ
中厚度逐渐减小的区域；进行交替铺层，直至形成区块ⅲ中厚度逐渐减小的区域。6.根据权利要求5所述的一种辐板的铺层方法，其特征在于，进行交替铺层，形成区块ⅳ和区块
ⅴ
中厚度逐渐减小的区域，包括以下步骤：沿第一径向对区块ⅰ、区块ⅱ、区块ⅳ和区块
ⅴ
进行连续铺层，得到第一铺层；或，沿第一径向对区块区块ⅱ、区块ⅳ和区块
ⅴ
进行连续铺层，得到第二铺层；沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层，得到第三铺层；第一铺层和第三铺层交替堆叠，或对第二铺层和第三铺层交替堆叠。7.根据权利要求6所述的一种辐板的铺层方法，其特征在于，进行交替铺层，直至形成区块ⅲ中厚度逐渐减小的区域，包括以下步骤：沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层,直至区块ⅱ最外侧，得到第四铺层；沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层，直至区块ⅱ的中点，得到第五铺层；沿第一径向对区块ⅰ和区块ⅱ进行连续铺层，直至区块ⅱ的厚度起始变化的部位，得到第六铺层；交替堆叠第四铺层、第五铺层和第六铺层。8.一种辐板的铺层优化方法，其特征在于，用于初始铺层，所述初始铺层为权利要求7所述的第一铺层、第二铺层、第三铺层、第四铺层、第五铺层和第六铺层中的任一个。9.根据权利要求8所述的一种辐板的铺层优化方法，其特征在于，包括以下步骤：生成多组初始铺层的角度变量；将生成的角度变量代入辐板的有限元模型中，进行cae分析，从而得到每个初始铺层对应的目标取值；角度变量以及对应的目标取值作为遗传算法的初始输入参数，得到下一代铺层角度解；判断当前得到的铺层角度解以及对应的目标取值是否达到优化的终止条件，若解收敛
或者优化达到最大迭代次数，则输出最终的收敛解。10.根据权利要求9所述的一种辐板的铺层优化方法，其特征在于，所述角度变量的取值为0
°
、30
°
或60
°
。

技术总结
本发明提供了一种辐板、铺层方法及铺层优化方法，属于辐板铺层技术领域，其中辐板为中心设置有轴孔的回转体结构，辐板的回转截面包括：区块


技术研发人员：严岳胜 危干军 沈瑞 扶碧波
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/21