基于EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料耐壓殼性能研究

李彬, 龐永杰, 程妍雪, 朱梟猛

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基于EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料耐壓殼性能研究

李彬1, 龐永杰1, 程妍雪1, 朱梟猛2

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了對(duì)水下航行器非均勻內(nèi)部環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼進(jìn)行高效率結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)，基于復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性特點(diǎn)，應(yīng)用復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)剛度的材料力學(xué)理論與有限元分析方法對(duì)耐壓殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真分析，結(jié)合EBF橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型技術(shù)以及拉丁超立方設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法從細(xì)觀層面對(duì)組分材料屬性在非均勻環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼性能中的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明：纖維和基體的彈性模量對(duì)耐壓殼結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能影響最大，剪切模量對(duì)各力學(xué)性能影響都很小。在組分材料屬性一定的情況下，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)增加，Tsai-Wu失效指數(shù)和臨界失穩(wěn)壓力有所提高，而相鄰肋骨中點(diǎn)處殼板周向應(yīng)力、肋骨處殼板軸向應(yīng)力和肋骨應(yīng)力隨之降低。因此，在非均勻環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮較大彈性模量以及適當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)的組分材料以達(dá)到結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)化的目的。

水下航行器；復(fù)合材料；非均勻環(huán)肋耐壓殼；EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

作為海洋勘探不可缺少的技術(shù)裝備，水下航行器已經(jīng)越來越多的引起各國學(xué)者的關(guān)注。耐壓殼結(jié)構(gòu)是水下航行器主要結(jié)構(gòu)之一，它不但是艙室內(nèi)部各分類系統(tǒng)設(shè)備正常工作的重要保證，也在減少結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)為載體提供浮力儲(chǔ)備。隨著水下航行器下潛深度增加，耐壓殼將會(huì)承受越來越大的深水壓力。復(fù)合材料作為新型材料的一種代表，它具有比強(qiáng)度大、比剛度高、耐腐蝕性好、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性等多個(gè)性能特點(diǎn)。相比傳統(tǒng)金屬耐壓殼結(jié)構(gòu)，在相等強(qiáng)度、剛度條件下，重量大幅減輕，這對(duì)增加水下航行器有效載荷，提高續(xù)航力有重要意義。

由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有大量的基體、纖維、鋪層形式可供選擇，單純進(jìn)行試驗(yàn)研究成本高昂，而數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的研究方法不僅可以了解結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，還能以較低成本對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此在工程中被廣泛應(yīng)用[1]。楊卓懿等[2]研究了復(fù)合材料潛器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法，并完成了復(fù)合材料一體式潛水器多學(xué)科綜合優(yōu)化。李彬等[3]應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)不同鋪層形式復(fù)合材料層合板進(jìn)行計(jì)算分析，并將計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析軟件預(yù)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的可行性。Al-Assaf 等人應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測單向玻璃環(huán)氧復(fù)合材料的疲勞壽命，得到了誤差小于20%的滿意預(yù)測結(jié)果，Allan等[4]采用近似模型方法成功預(yù)測了聚丙烯纖維復(fù)合材料的性能。

耐壓殼結(jié)構(gòu)，特別是環(huán)肋圓柱殼有著利于內(nèi)部艙室布置，加工簡單，水中運(yùn)動(dòng)阻力小等特點(diǎn)，在水下航行器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛[5]。通常環(huán)肋圓柱殼采用截面慣性矩沿軸向等距均勻分布的環(huán)形肋骨加強(qiáng)，這樣的結(jié)構(gòu)布局能夠降低加工難度。當(dāng)環(huán)肋圓柱殼總體失穩(wěn)時(shí)，圓柱殼中央部分徑向失穩(wěn)位移很大，從艙段總體穩(wěn)定性方面考慮，均勻環(huán)肋結(jié)構(gòu)形式并不完全合理。采用非均勻環(huán)肋結(jié)構(gòu)布置方式，不但能降低結(jié)構(gòu)總體重量，還能有效地提高耐壓殼屈曲穩(wěn)定性[6]。普通金屬耐壓殼通常采用外部環(huán)肋結(jié)構(gòu)形式來提高耐壓殼整體的穩(wěn)定性。對(duì)于復(fù)合材料耐壓殼結(jié)構(gòu)來說，采用外部加環(huán)肋方式不利于加工，采用無肋骨方式需要增加單層厚度，使成本提高，直接影響經(jīng)濟(jì)性能[7]。

基于以上思想，本文結(jié)合復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)剛度的材料力學(xué)分析方法，應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)水下航行器非均勻內(nèi)部環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真分析。利用EBF橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型技術(shù)借助iSIGHT軟件平臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)從細(xì)觀層面對(duì)組分材料屬性在非均勻內(nèi)部環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼性能中的影響進(jìn)行了研究，為后續(xù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作打下良好基礎(chǔ)。

1 復(fù)合材料剛度的細(xì)觀力學(xué)分析

復(fù)合材料是由幾種不同性質(zhì)材料組合而成的新型材料。利用復(fù)合效應(yīng)不但使得整體材料具有各組分材料所不具有的特性，同時(shí)可以保留原組分材料的某些主要性能。復(fù)合材料剛度的細(xì)觀力學(xué)分析可采用材料力學(xué)分析方法根據(jù)復(fù)合材料中纖維體積分?jǐn)?shù)確定單層復(fù)合材料整體力學(xué)性能[8]。

E1為纖維方向彈性模量。在確定E1時(shí)，認(rèn)為纖維和基體組成一個(gè)并聯(lián)模型，即假設(shè)纖維和基體在纖維方向上應(yīng)變相等，即ε1=ε1m=ε1f，如兩者都處于彈性狀態(tài)，則應(yīng)力為

(1)

式中：下標(biāo)f表示纖維，m表示基體。平均應(yīng)力σ1作用在橫截面積A上，纖維應(yīng)力σf作用在纖維橫截面積Af上，基體應(yīng)力σm作用在基體橫截面積Am上，因此作用在復(fù)合材料體積單元上的合力為

(2)

E1=EfVf+EmVm=EfVf+Em(1-Vf)

(3)

式中：Ef為縱向纖維彈性模量，Em基體彈性模量。

在確定E2時(shí)，假設(shè)纖維和基體承受相同的橫向應(yīng)力σ2，即認(rèn)為纖維和基體組成一個(gè)串聯(lián)模型，則總橫向變形為

(4)

復(fù)合材料橫向總應(yīng)變?yōu)?/p>

(5)

纖維和基體橫向應(yīng)變分別為

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式(10)同時(shí)除以ε1和t，則泊松比為

(11)

假設(shè)纖維和基體所承受剪應(yīng)力相等，即τ=τf=τm，且復(fù)合材料剪切特性是線性的，剪切變形符合串聯(lián)模型，則有

(12)

式中：γf、γm分別表示纖維、基體剪應(yīng)變，Gf、Gm表示纖維、基體剪切模量，則總剪切變形表示為

(13)

(14)

由式(12)～(14)得到剪切模量：

(15)

(16)

2 橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型

近似模型是通過數(shù)學(xué)模型方法構(gòu)建一組輸入變量與輸出變量的響應(yīng)關(guān)系。采用近似模型技術(shù)通過構(gòu)造一個(gè)精度足夠、計(jì)算消耗小的代理模型來代替耗費(fèi)時(shí)間長的仿真分析，從而解決復(fù)雜系統(tǒng)分析計(jì)算代價(jià)高昂的問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息過程進(jìn)行模擬的一種數(shù)學(xué)模型，其中神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息處理的基本單元，神經(jīng)元的連接方式不同，其構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)也不同[9]。目前，對(duì)于耐壓殼結(jié)構(gòu)研究常用的近似模型主要是徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(radial basis functions，RBF)，對(duì)于任意輸入x，設(shè)第k個(gè)徑向基神經(jīng)元對(duì)應(yīng)的輸出為

(17)

(18)

(19)

(20)

圖1 基函數(shù)輸出對(duì)比Fig.1 Comparison of basis functions output

本文選取70組復(fù)合材料耐壓殼有限元分析數(shù)據(jù)樣本對(duì)EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)勢進(jìn)行驗(yàn)證。采用k-均值法對(duì)樣本進(jìn)行聚類，應(yīng)用最小二乘法對(duì)隱含層到輸出層的權(quán)值進(jìn)行分析。分別對(duì)EBF和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型隱含層含2、3、4個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確度對(duì)比分析如表1所示，可以看出EBF相比RBF準(zhǔn)確度高。因此，相比較RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有更強(qiáng)的模式識(shí)別能力。

表1 EBF與RBF準(zhǔn)確度對(duì)比分析

3 非均勻環(huán)肋復(fù)合材料圓柱耐壓殼

為保證耐壓殼結(jié)構(gòu)的合理性及可靠性，本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件APDL語言集編寫命令流分別對(duì)非均勻環(huán)肋、均勻環(huán)肋及無肋骨復(fù)合材料耐壓殼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行仿真分析。結(jié)構(gòu)長度為1 080 mm，內(nèi)徑130 mm，金屬內(nèi)襯材料選用7075鋁合金，厚度為10 mm，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料采用環(huán)氧樹脂作為基體，T800碳纖維作為增強(qiáng)纖維，單層厚度為1 mm，10層對(duì)稱鋪設(shè)，鋪設(shè)角度為[0，45，-45，45，-45]sym。材料性能參數(shù)如表2所示，三種方案肋骨尺寸如表3所示，耐壓殼剖面圖如圖2所示。

圖2 耐壓殼剖面圖Fig.2 Profile of pressure hull

材料彈性模量/GPa縱向Ef橫向E2f剪切模量/GPa泊松比ν12fν23f纖維23323.18.960.20.4基體4.628.270.36金屬內(nèi)襯71.7-0.33

表3 肋骨尺寸

表4總結(jié)了四個(gè)算例的結(jié)果，其中σ1表示耐壓殼體相鄰肋骨中點(diǎn)處殼板的周向應(yīng)力，σ2表示肋骨處殼板的軸向應(yīng)力，σr表示肋骨應(yīng)力，PE表示臨界失穩(wěn)壓力，F(xiàn)c表示失效指數(shù)，F(xiàn)c<1則認(rèn)為強(qiáng)度滿足要求[8]。從表中可以看出，在滿足強(qiáng)度要求前提下，非均勻環(huán)肋耐壓殼穩(wěn)定性優(yōu)于無肋骨及均勻環(huán)肋耐壓殼。因此，采用不等間距非均勻環(huán)肋耐壓殼形式能夠有效的提高結(jié)構(gòu)性能。

基于以上結(jié)論，本文耐壓殼結(jié)構(gòu)采用第二種非均勻環(huán)肋方案,金屬內(nèi)襯外部纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式，肋骨采用非均勻內(nèi)部環(huán)肋布置方式，四根肋骨左右對(duì)稱布置，截面尺寸及肋骨間距均不同。為了可以準(zhǔn)確的分析各層間影響，選擇SOLID185單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在編寫參數(shù)化語言定義材料屬性時(shí)根據(jù)材料彈性常數(shù)及鋪層角計(jì)算材料剛度陣。雖然相比直接定義法計(jì)算量較大，但能夠充分考慮到三個(gè)方向的應(yīng)力狀態(tài)。端面采用剛性固定約束，耐壓殼結(jié)構(gòu)工作深度為1 000 m，在設(shè)計(jì)工況下，鋁合金內(nèi)襯和復(fù)合材料層均未發(fā)生失穩(wěn)和失效情況，耐壓殼結(jié)構(gòu)在彈性變形范圍內(nèi)。啟動(dòng)ANSYS后處理求解器，輸出非均勻環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼的肋骨中點(diǎn)處殼板周向應(yīng)力，肋骨處殼板軸向應(yīng)力，肋骨應(yīng)力，臨界失穩(wěn)壓力以及基于Tsai-Wu失效準(zhǔn)則的失效指數(shù)，有限元計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

表4 結(jié)果對(duì)比

圖3 耐壓殼結(jié)構(gòu)計(jì)算圖Fig.3 Contour plots of pressure hull

4 復(fù)合材料耐壓殼結(jié)構(gòu)性能研究

4.1 橢圓基(EBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型

本文從細(xì)觀層面研究組分材料屬性對(duì)非均勻環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼結(jié)構(gòu)性能的影響。依照《潛水系統(tǒng)與潛水器入級(jí)建造規(guī)范》[13]中規(guī)定對(duì)承受外壓的環(huán)肋圓柱耐壓殼，要求殼體相鄰肋骨中點(diǎn)處殼板的周向應(yīng)力σ1，肋骨處殼板的軸向應(yīng)力σ2，肋骨應(yīng)力σr應(yīng)小于結(jié)構(gòu)要求許用應(yīng)力。對(duì)于受外壓的薄殼結(jié)構(gòu)來說，穩(wěn)定性也是需要重點(diǎn)考慮的因素之一。除此之外，復(fù)合材料具有各向異性的特點(diǎn)，工作應(yīng)力的最大值不一定對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的最危險(xiǎn)狀態(tài)。它的失效準(zhǔn)則與金屬材料不同，不能只應(yīng)用規(guī)范中的校核準(zhǔn)則來判定結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞。目前，復(fù)合材料比較常用的失效準(zhǔn)則包括最大應(yīng)力理論，最大應(yīng)變理論，Hill-Tsai強(qiáng)度理論，Tsai-Wu張量理論[8]。其中，Tsai-Wu張量理論相比其余三個(gè)強(qiáng)度理論不但考慮了應(yīng)力分項(xiàng)間的耦合作用，而且區(qū)分了拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度。因此，本文采用Tsai-Wu張量理論作為判定復(fù)合材料耐壓殼失效的依據(jù)。對(duì)于平面應(yīng)力下正交各向異性復(fù)合材料失效表面形式表示為

(21)

式中：Fi和Fij稱為應(yīng)力空間的強(qiáng)度參數(shù)。當(dāng)失效面公式值小于1時(shí)則認(rèn)為結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

綜合以上考慮，在構(gòu)建近似模型時(shí)將非均勻環(huán)肋耐壓殼結(jié)構(gòu)尺寸作為常量。將材料基體彈性模量Em，基體剪切模量Gm，纖維縱向彈性模量Ef，纖維剪切模量Gf以及纖維體積分?jǐn)?shù)Vf作為輸入?yún)?shù)。將耐壓殼相鄰肋骨中點(diǎn)殼板周向應(yīng)力σ1，肋骨處殼板軸向應(yīng)力σ2，肋骨應(yīng)力σr，臨界壓力PE以及失效指數(shù)Fc作為影響耐壓殼性能的輸出參數(shù)。在編寫APDL參數(shù)化語言時(shí)，將耐壓殼結(jié)構(gòu)材料工程常數(shù)表達(dá)成組分材料工程常數(shù)與組分體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)形式，采用拉丁超立方設(shè)計(jì)方法安排150次試驗(yàn)設(shè)計(jì)，依據(jù)參數(shù)樣本響應(yīng)值選取150個(gè)樣本點(diǎn)構(gòu)建基于EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型如下圖所示，圖4表示當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)分別與纖維、基體彈性常數(shù)一定時(shí)，基體彈性常數(shù)與臨界失穩(wěn)壓力PE以及纖維彈性常數(shù)與失效指數(shù)Fc的近似模型三維圖。

圖4 彈性常數(shù)近似模型Fig.4 Approximation of elastic constants

4.2 誤差分析

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2用來評(píng)估近似模型估計(jì)值與有限元計(jì)算真實(shí)值之間相符程度，R2值定義為

(22)

圖5 近似模型誤差分析Fig.5 Error analysis of approximation

圖中各點(diǎn)表示與預(yù)測值對(duì)應(yīng)的實(shí)際值。由圖可以直觀的看出各點(diǎn)均以極小誤差落在直線y=x上，說明近似模型預(yù)測值與有限元計(jì)算值的重合度非常高，模型精度滿足要求。因此，采用EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠在較少樣本點(diǎn)的情況下得到高精度近似模型，這樣既保證分析的準(zhǔn)確性，又節(jié)約了計(jì)算成本。

4.3 組分材料工程彈性常數(shù)對(duì)耐壓殼力學(xué)性能影響

借助iSIGHT平臺(tái)集成ANSYS軟件，采用拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行1000次迭代完成整個(gè)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)得到組分工程常數(shù)對(duì)非均勻環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼力學(xué)性能影響百分比如圖6所示。纖維彈性模量對(duì)耐壓殼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響最大，均超過40%，其中對(duì)肋骨應(yīng)力影響達(dá)到49.43%。其次是基體彈性模量。纖維和基體的剪切模量對(duì)各力學(xué)性能影響都很小。通過研究各單獨(dú)組分材料屬性對(duì)耐壓殼整體力學(xué)性能的影響，不但可以對(duì)提高耐壓殼力學(xué)性能方法進(jìn)行預(yù)測，還可以在制備復(fù)合材料時(shí)對(duì)碳纖維及環(huán)氧樹脂進(jìn)行選型。

圖7為在材料選定情況下，組分含量對(duì)非均勻環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼力學(xué)性能的影響。由各圖曲線變化規(guī)律可知，纖維體積分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致Tsai-Wu失效指數(shù)和臨界失穩(wěn)壓力有所提高，而周向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和肋骨應(yīng)力則隨之降低。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性角度考慮，纖維體積分?jǐn)?shù)增加能提高力學(xué)性能，具有積極作用。但是，從復(fù)合材料失效角度來看，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)增加，將一定程度上促進(jìn)失效提前發(fā)生。由此說明增加基體含量將一定程度上降低復(fù)合材料失效的可能。這是由于在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維和基體分別起不同作用，纖維具有高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能有著直接的影響。而基體的主要作用是將纖維固結(jié)，雖然基體本身的力學(xué)性能較差，但它對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體性能有很大作用，如橫向彈性模量、剪切強(qiáng)度、剪切模量、橫向強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度等。因此，為獲得滿足要求的復(fù)合材料耐壓殼設(shè)計(jì)方案，需要解決組分含量以及各材料參數(shù)的最優(yōu)化問題。

圖6 組分材料屬性影響百分比Fig.6 Percentage effect on component material properties

圖7 纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)耐壓殼力學(xué)性能影響Fig.7 The effect of fiber volume fraction on mechanical properties of pressure hull

5 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元理論對(duì)水下航行器非均勻內(nèi)部環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真分析。采用拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法構(gòu)建EBF橢圓基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型，從細(xì)觀層面對(duì)組分材料在非均勻環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼性能中的影響進(jìn)行了研究，研究表明：

1)近似模型技術(shù)以少量仿真計(jì)算結(jié)果擬合出反映整個(gè)設(shè)計(jì)空間屬性的近似分析模型，在保證準(zhǔn)確的同時(shí)很大程度上提高了分析效率。另外，相比RBF模型，EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有更強(qiáng)的模式識(shí)別能力，因此采用EBF近似模型得到的分析結(jié)構(gòu)更為真實(shí)可靠。

2)纖維和基體的彈性模量對(duì)耐壓殼結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能影響最大，剪切模量對(duì)各力學(xué)性能影響都很小。在耐壓殼設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將彈性模量作為組分材料選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3)在組分材料屬性一定的情況下，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)增加，Tsai-Wu失效指數(shù)和臨界失穩(wěn)壓力有所提高，而相鄰肋骨中點(diǎn)處殼板周向應(yīng)力、肋骨處殼板軸向應(yīng)力和肋骨應(yīng)力隨之降低。因此，在非均勻環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼設(shè)計(jì)過程中可以重點(diǎn)考慮較大彈性模量以及適當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)的組分材料。

非均勻內(nèi)部環(huán)肋復(fù)合材料耐壓殼結(jié)構(gòu)新穎，計(jì)算數(shù)據(jù)缺乏，因此在未來同類耐壓殼設(shè)計(jì)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于復(fù)合材料耐壓殼設(shè)計(jì)分析，應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及材料失效，充分考慮各方面限制要求。而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范將無法完全適應(yīng)復(fù)合材料耐壓殼的力學(xué)性能特點(diǎn)，需要研究制定新的具有針對(duì)性的設(shè)計(jì)規(guī)范已達(dá)到結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的目的。

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Research on a composite pressure hull based on an EBF neural network

LI Bin1，PANG Yongjie1，CHENG Yanxue1，ZHU Xiaomeng2

(1. Science and Technology on Underwater Vehicle Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin, 150001, China; 2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin, 150001, China)

In order to implement a structural design with high efficiency for a non-uniform inner ring-stiffened composite pressure hull of an underwater vehicle, material mechanics theory of composite material mesomechanical rigidity and finite element analysis were adopted for simulation analysis of a pressure hull on the basis of the designability of composites. Combined with EBF neural network approximation technology, a Latin hypercube design test method was utilized to study the effect of the properties of the component material on mechanical performance of the non-uniform ring-stiffened composite pressure hull. The results illustrate that the elasticity modulus of the fiber and matrix mostly influence the mechanical properties of the pressure hull, while the influence of shear modulus is small. Given that the properties of component material are certain, the Tsai-Wu failure index and critical buckling pressure will increase with the increase of fiber volume fraction, while the circumferential stress of midpoint of adjacent frames, the axial stress of the shell at frames and the frame stress decrease. Therefore, in the design progress of the non-uniform ring-stiffened composite pressure hull, a large elasticity modulus and proper fiber volume fraction of component material should be taken into consideration to obtain optimal structural performances.

underwater vehicle; composite materials; non-uniform ring-stiffened pressure hull; EBF neural network model

2015-07-23.

日期：2016-08-29.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51009040).

李彬(1987-), 女, 博士研究生;

龐永杰(1955-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師.

李彬, E-mail:Lb-bin@163.com.

10.11990/jheu.201507072

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160829.1421.046.html

U661.43

A

1006-7043(2016)10-1323-07

李彬, 龐永杰, 程妍雪，等. 基于EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料耐壓殼性能研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016, 37(10): 1323-1329.

LI Bin，PANG Yongjie，CHENG Yanxue， et al. Research on a composite pressure hull based on an EBF neural network[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(10): 1323-1329.