CMES本期精选文章“A Multiscale Reliability-Based Design Optimization Method for Carbon-Fiber-Reinforced Composite Drive Shafts”（碳纤维复合材料传动轴的多尺度可靠性设计优化方法）。
文章详情
1. 前言
为了充分利用碳纤维增强复合材料微观结构设计的潜力，同时考虑铺层工艺约束和性能指标的可靠性，本研究提出了一种应用于现实生活中的碳纤维增强复合材料传动轴开发的多尺度可靠性设计优化方法。
2. 碳纤维增强复合材料的多尺度建模
2.1 概述
如图1所示，单向碳纤维增强复合材料的多尺度设计涵盖了微观尺度和宏观尺度水平。本节详细介绍了用于评估微观尺度单元的弹性性能的均质化方法，包括基于边界力的均质化方法和基于热应力的均质化方法。
图1：碳纤维增强复合材料传动轴多尺度设计流程图
2.2 微观尺度模型模拟分析
2.2.1 方法
如图2所示，为了开发一个实际的微观尺度模型，使用电子显微镜（型号JSM-IT300LA）检查了单向碳纤维增强复合材料的横截面。然后，利用均质化方法将这个横截面表示为等效的微观尺度单元。值得注意的是，在周期排列原则指导下，对于单向纤维复合材料的微观尺度单元类型的选择并非唯一。
图2：微观尺度单元构建的示意图
2.2.2 微观尺度参数对弹性性能的影响
为了研究纤维体积分数对单向碳纤维增强复合材料弹性性能的影响，本研究通过在微观尺度单元上进行一系列分析，考察了各种纤维体积分数的影响。这些分析采用了基于边界力和基于热应力的均质化方法，结果如图3所示。
图3：纤维体积分数对碳纤维增强复合材料弹性性能的影响：（a）E1，（b）E2，（c）G12，（d）μ12
2.2.3 设计参数不确定性对弹性性能的影响
实际工程设计中存在许多不确定性，如材料参数的可变性和特征尺寸的波动。这些不确定性可能对确定性设计的结果带来失败的风险。为了解决不确定性对复合材料弹性性能的影响，本节重点研究复合材料的微观尺度单元，特别是考察设计变量不确定性对其弹性性能的影响。
3. 碳纤维增强复合材料传动轴
3.1 碳纤维增强复合材料传动轴及性能指标
本文重点研究了碳纤维复合材料传动轴，并对其进行了实验验证。图4展示了碳纤维增强复合材料传动轴样品的示意图以及其受载条件。传动轴的管长为1040毫米，直径为70毫米，壁厚为3毫米，设计承受的最大扭矩为1120N·m，最大运转速度为6000 rpm。原金属传动轴重量为15.509千克，管体质量为5.651千克。
图4：碳纤维增强复合材料传动轴结构示意图：（a）碳纤维增强复合材料传动轴，（b）传动轴扭转受载情况
3.2 微观尺度设计参数对传动轴性能的影响
为了探讨纤维体积分数对碳纤维增强复合材料传动轴性能的影响，通过改变微观尺度单元的一半边长x1，计算了不同纤维体积分数下传动轴的综合性能。
图5：纤维体积分数对传动轴性能的影响
3.3 宏观尺度设计参数对传动轴性能的影响
对图6的分析表明，铺层缠绕角度显著影响传动轴的扭转刚度。随着铺层缠绕角度增加，传动轴的扭转刚度呈现先增加后减小的趋势，在45°铺层角达到峰值。因此，为了确保扭转刚度满足设计要求，建议在设计中增加45°铺层的比例。
图6：铺层角度对传动轴性能的影响
4. 多尺度可靠性设计优化方法
基于第2节介绍的单向碳纤维增强复合材料多尺度分析方法以及第3节详细介绍的碳纤维增强复合材料传动轴宏观性能分析方法，本研究开发了一种碳纤维增强复合材料传动轴多尺度可靠性设计方法，如图7所示。
图7：多尺度可靠性设计优化方法流程图
4.1 结果与讨论
4.1.1 确定性优化结果
为了确定适当的模拟次数，本文分别进行了包含40、60、80和100个样本的蒙特卡洛模拟。发现当进行100次蒙特卡洛模拟迭代时，概率约束的可靠性收敛。因此，本研究中所有可靠性评估均采用了100次蒙特卡洛模拟。分析表明，此处的最优解的可靠性仅为71.2%。考虑到设计参数的不确定性，这个最优解存在很大的失效风险。
4.1.2 基于可靠性的优化结果
本文提出的用于碳纤维增强复合材料结构的多尺度可靠性设计方法已成功求解方程描述的数学模型。图8展示了单向纤维复合传动轴的确定性设计和可靠性设计的解集。
图8：基于可靠性的优化的Pareto解集
5. 结论
本研究开发了一种用于碳纤维增强复合材料的多尺度可靠性设计优化方法，并通过对单向碳纤维增强复合材料传动轴的案例研究进行了展示。主要结论如下：
1) 用基于边界力和热应力的均质化方法来预测单向碳纤维增强复合材料的弹性性质。两种方法表现出一般一致性，其中热应力方法与实验数据更加接近。
2) 微观尺度单元参数的不确定性，特别是反映纤维体积含量的半边长，与基体材料的可变性相比，显著影响了单向碳纤维增强复合材料的弹性性能。
3) 经过改进的多目标粒子群优化算法在优化单向碳纤维增强复合材料传动轴方面有较好的效果，能够满足平衡对称堆积和防止连续放置相同角度的要求，提高了方法的工程适用性。
4) 多尺度可靠性设计优化改进了单向碳纤维增强复合材料传动轴的性能和可靠性，满足了设计规格要求。
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引用格式：
APA Style
Zhang, H., Li, S., Wu, Y., Zhi, P., Wang, W. et al. (2024). A multiscale reliability-based design optimization method for carbon-fiber-reinforced composite drive shafts. Computer Modeling in Engineering & Sciences, 140(2), 1975-1996. https://doi.org/10.32604/cmes.2024.050185
Vancouver Style
Zhang H, Li S, Wu Y, Zhi P, Wang W, Wang Z. A multiscale reliability-based design optimization method for carbon-fiber-reinforced composite drive shafts. Comput Model Eng Sci. 2024;140(2):1975-1996 https://doi.org/10.32604/cmes.2024.050185
IEEE Style
H. Zhang, S. Li, Y. Wu, P. Zhi, W. Wang, and Z. Wang "A Multiscale Reliability-Based Design Optimization Method for Carbon-Fiber-Reinforced Composite Drive Shafts," Comput. Model. Eng. Sci., vol. 140, no. 2, pp. 1975-1996. 2024. https://doi.org/10.32604/cmes.2024.050185
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