(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210846371.6 (22)申请日 2022.07.05 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市碑林区友谊西 路127号 (72)发明人 段尊义　刘煜琦　刘亿　刘赫　 徐斌　朱继宏　龙凯　阎军　 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑增材制造的纤维增强复合材料多 材料多尺度变刚度优化设计方法 (57)摘要 本发明属于纤维增强复合材料结构拓扑优 化设计领域， 发 明了一种考虑增材制造的纤维增 强复合材料多材料多尺度变刚度拓扑优化设计 方法， 包括如下步骤： 1、 输入初始宏观拓 扑、 材料 选择、 微观离散纤维铺角变量； 2、 计算离散复合 材料多材料本构矩阵； 3、 计算总体刚度矩阵； 4、 有限元求解； 5、 计算最小 化柔顺性目标函数与体 积约束； 6、 求解目标函数及约束对设计变量灵敏 度信息； 7、 采用GCMMA更新 设计变量； 8、 进行收敛 判别。 本发 明的方法提出了一种多尺度多材料复 合材料各向异性惩罚模型， 该模 型可实现纤维增 强复合材料多材料多尺度变刚度拓扑优化设计， 获得宏观多材料清晰拓扑和微观离散纤维铺角 选择。 权利要求书3页 说明书6页 附图3页 CN 115295097 A 2022.11.04 CN 115295097 A 1.一种考虑增材制造的纤维增强复合材料多材料多尺度变刚度优化设计方法， 其特征 在于， 该方法包括以下步骤： S1、 输入宏、 微观设计 变量参数； S2、 基于多尺度多材料复合材料各向异性惩罚模型(MMCAP)对离散复合材料多材料本 构矩阵进行计算； S3、 采用高斯积分法， 使用四个高斯积分点拟合积分值， 并基于离散复合材料多材料本 构矩阵计算单 元刚度矩阵， 进 而组装得到整体刚度矩阵； S4、 进行有限元求 解； S5、 计算最小化柔顺性目标函数与体积约束， 用所述设计域内每个单元的刚度矩阵， 以 结构刚度最大化 为目标， 构建纤维增强复合材 料多材料多尺度变刚度优化设计； S6、 对目标函数和体积约束灵敏度进行计算； S7、 采用MMA方法对所述拓扑优化模型中的宏、 微观设计变量进行迭代更新， 得到优化 后的复合材 料多材料多尺度优化模型。 2.根据权利要求1所述的一种考虑增材制造的纤维增强复合材料多材料多尺度变刚度 优化设计方法， 其特 征在于， 所述 步骤S1的表现方式包括： S1.1、 对结构设计域进行单元网格划分， 根据预先设定的微观纤维铺设角度数目为每 个单元定义宏、 微观设计 变量并赋予初始值。 3.根据权利要求1所述的一种考虑增材制造的纤维增强复合材料多材料多尺度变刚度 优化设计方法， 其特 征在于， 所述 步骤S2的表现方式： S2.1、 进行离散复合材料多材料本构矩阵计算， 首先对各个备选微观纤维铺设角度对 应的本构矩阵进行计算， 即根据铺设角度将初始本构矩阵代入转轴公式进行计算， 其计算 式为： 其中， T‑1为坐标转换矩阵， θ为微观纤维铺设角度， v12为泊松比， E1、 E2为材料在1、 2弹性 主方向的弹性模量； S2.2、 将S2.1中计算得到的备选微观纤维铺设角度对应的本构矩阵代入多尺度多材料 复合材料各向异性 惩罚模型(M MCAP)中， 计算得到多材 料的本构矩阵： 式中， 为第ξ种备选材料对应的本构矩阵， 为第c种备选纤维铺设角度密度, 为第c种备选纤维铺设角度对应的本构矩阵；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115295097 A 2S2.3、 基于S2.2中计算得到的多材 料的本构矩阵， 进一 步计算单 元的本构矩阵： 式中， 为第e个单元的本构矩阵， 为宏观单元密度， 为第 ξ种备选材 料密度， 为第 ζ种备选材 料密度。 4.根据权利要求1所述的一种考虑增材制造的纤维增强复合材料多材料多尺度变刚度 优化设计方法， 其特 征在于， 所述 步骤S3的表现方式包括： S3.1、 基于S3.3计算得到的单 元本构矩阵， 计算单 元的刚度矩阵： 式中， B为应 变‑位移矩阵， Ωj为设计域； 采用高斯积分法， 使用四个高斯积分点对积分进行拟合， 计算得到四个高斯积分点处 的刚度矩阵， 之后累加得到单 元刚度矩阵； S3.2、 将S4.1中计算得到的单 元刚度矩阵进行组装， 得到整体刚度矩阵： 5.根据权利要求1所述的一种考虑增材制造的纤维增强复合材料多材料多尺度变刚度 优化设计方法， 其特 征在于， 所述 步骤S4的表现方式包括： S4.1、 根据事先设定的载荷与计算得到的整体刚度矩阵， 进行有限元求 解： 式中， F为施加的载荷， 为整体刚度矩阵。 6.根据权利要求1所述的一种考虑增材制造的纤维增强复合材料多材料多尺度变刚度 优化设计方法， 其特 征在于， 所述 步骤S5的表现方式包括： S5.1、 将S4.2中计算得到的整体刚度矩阵代入结构柔 顺性计算公式 S5.2、 所述纤维增强复合材 料多材料多尺度变刚度优化模型表示 为： 式中， X为设计变量， 为层合板第i层第j个单元的宏观密度， 为层合板第 i层第j个单元第ξ种材料的密度， 为层合板第i层第j个单元第c个纤维铺设角度的密权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115295097 A 3