基于RBF神经网络的复合材料固化均匀性优化

乔 巍¹，姚卫星^1,2，黄 杰¹

(1. 南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210016）

(2. 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京 210016)

基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项目

作者简介：乔巍（1983—），男，博士研究生，主要研究方向为复合材料结构固化变形控制，m18168071852@163.com.

摘要：为了降低固化过程中复合材料结构内部温度场和固化度场的非均匀性，提出一种基于径向基(RBF)神经网络的固化均匀性优化方法。通过拉丁超立方试验设计方法选取设计变量（升温速度、保温温度及保温时间）的样本点，采用固化反应的参数化有限元分析模型对样本点进行计算以获取响应（温度梯度、固化度梯度及总的固化时间），以此建立固化反应的RBF神经网络，最后利用主要目标法和多岛遗传算法优化该网络以求得最优解。AS4/3501-6复合材料算例的优化结果表明：对比原设计，优化后温度梯度和固化度梯度的最大值分别降低了71.34% 和51.47%，总的固化时间仅增加4.71%，优化效果显著。

关键词：复合材料；固化均匀性；RBF神经网络；优化

中图分类号：TB332    文献标识码：A     文章编号：2095-509X(2020)12-0091-05

先进树脂基复合材料是航空航天、船舶及风电行业实现轻量化设计的关键性材料^［1-2］。固化过程中树脂的交联聚合反应产生了大量热量，由于复合材料导热系数非常小，当结构厚度较大时，结构内部的温度场和固化度场呈现出较大的非均匀性，并产生了残余应力。这些残余应力使材料形成了初始损伤，从而降低了材料的力学性能。因此，研究降低温度场和固化度场非均匀性的优化方法，对于提高材料性能和产品固化质量具有重要意义。

固化过程中复合材料结构内部温度场和固化度场的非均匀性是产生残余应力和固化变形的主要因素之一。Shin等^［3］建立了复合材料厚板的一维固化压实数值模型，模拟出树脂渗漏导致温度分布的不均匀。Yi等^［4］用非线性有限元法分析了降温过程中复合材料内产生的残余应力，发现温度场对层间应力和平面应力都有明显影响。Ruiz等^［5］采用有限差分法模拟结构固化过程中温度场和固化度场的变化，基于经典的层合板理论计算残余应力，在此基础上了研究了不同厚度结构的最佳工艺温度周期。

通过合理优化复合材料的工艺温度周期，可有效降低固化过程中温度场和固化度场的非均匀性。构建工艺温度周期的主要参数与温度场和固化场非均匀性之间的非线性映射关系，是优化设计的关键。代理模型是一种能很好解决非线性映射问题的方法，广泛应用于类似的优化问题^［6-7］。Jahromi等^［6］基于双隐含层的动态神经网络，开发出一种多段式工艺温度周期的优化方法，通过优化线段两端的温度，使温度场和固化度场的梯度最小，结果表明该方法具有较高的优化效率。Shah等^［7］基于响应面模型和遗传算法，以残余应力最小为目标，提出不对称正交层合板工艺温度周期的优化方法，优化后残余应力降低了47%。

王晓霞等^［8］基于Morris方法，定量分析了固化成型过程中结构厚度、热传导系数、固化温度、对流换热系数等4个关键参数对固化均匀性的影响程度。贺继林等^［9］对复合材料固化理论模型进行因次分析，提取出无因次变量方程组，研究发现无因次式特征时间和树脂固化反应特征时间的比值与固化度差值间存在线性函数关系。

目前国内对于树脂基复合材料固化均匀性的研究以等温固化为主，对于应用更广泛的热压罐、树脂传递模塑（RTM）变温固化成型的研究相对较少。本文提出一种复合材料固化均匀性的优化方法，首先采用拉丁超立方试验设计方法和参数化的固化反应有限元模型建立固化反应的RBF神经网络，然后利用主要目标法和多岛遗传算法优化该网络以获取最优解，最后通过算例验证所提优化方法的有效性。