论文标题：Buckling optimization of curvilinear fiber-reinforced composite structures using a parametric level set method

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Ye TIAN, Tielin SHI, Qi XIA

发表时间：15 Feb 2024

DOI：10.1007/s11465-023-0780-0

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曲线纤维增强复合材料结构因出色性能与广阔设计空间，在航天、汽车等工程领域备受瞩目。在设计这类结构时，除了要考量其刚度和强度，稳定性也是关键要素。

《Frontiers of Mechanical Engineering》2024年第19卷第1期的一篇题为“Buckling optimization of curvilinear fiber-reinforced composite structures using a parametric level set method”的研究论文，提出了一种基于水平集的优化框架，用于最大化曲线纤维增强复合材料结构的屈曲载荷。

构建优化框架，研究利用水平集函数的等值线表示纤维路径，通过径向基函数和展开系数定义每层的水平集函数，纤维角度为等值线切向角。有限元屈曲分析中，单元刚度和几何矩阵与单元形心处纤维角度相关。同时，考虑纤维路径的平行度约束。

计算目标函数和约束函数的灵敏度，采用移动渐近线法对作为设计变量的所有展开系数进行迭代更新。该方法通过不断调整展开系数，逐步优化结构，以实现结构屈曲载荷的最大化。

研究给出两个不同边界条件下的数值例子，证明了参数化水平集方法在解决复合材料结构屈曲优化问题方面的有效性。结果表明，无论结构是否包含孔洞，变刚度设计都能提供更大的抗屈曲能力。此外，在屈曲优化中，仅考虑平行度约束可确保优化的曲线纤维路径趋向平行且等距，其曲率也较小。

研究所提出的基于参数化水平集方法的优化框架，能够有效优化曲线纤维增强复合材料结构的纤维路径，显著提高结构的抗屈曲性能。未来的工作中，这种基于水平集的方法将进一步扩展，以实现结构拓扑和纤维路径的协同优化。

关键词

屈曲优化；曲线纤维；复合材料结构；水平集方法；制造约束

引用

Ye TIAN（田野）, Tielin SHI（史铁林）, Qi XIA（夏奇）. Buckling optimization of curvilinear fiber-reinforced composite structures using a parametric level set method. Front. Mech. Eng., 2024, 19(1): 9

https://doi.org/10.1007/s11465-023-0780-0

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作者简介

史铁林，华中科技大学机械科学与工程学院教授，博士生导师，国家级领军人才。现任中国振动工程学会监事、中国振动工程学会动态信号分析专业委员会荣誉主任委员、中国微米纳米技术学会理事，Sensors期刊栏目主编，Frontiers of Mechanical Engineering、《机械工程学报》、《振动工程学报》、《中国机械工程》、《中国工程机械学报》、《振动与冲击》、《振动测试与诊断》等期刊编委。主要研究方向有微系统与微制造、精密仪器与装备、状态监测与故障诊断等。先后获国家教委科技进步二等奖（应用类）、国家教委科技进步一等奖（理论类）、机械工业部科技进步一等奖、国家科技进步三等奖、中国青年科技奖，全国优秀博士后、湖北省五四青年奖章、中国机械工程学会杰出青年科技奖、首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选等荣誉称号。主持完成或承担科研项目40多项，包括国家863项目、国家自然科学基金重大研究计划培育项目、国家自然科学基金面上项目、总装预研项目等。发表学术论文250余篇，其中SCI论文100篇，申请国家发明专利80多项，授权50多项。

夏奇，华中科技大学机械科学与工程学院教授、博士生导师，现任机械电子信息工程系主任。Frontiers of Mechanical Engineering期刊编委，主要从事结构拓扑优化理论与方法研究。主持国家自然科学基金项目4项，获教育部自然科学一等奖。发表第一或通讯作者SCI论文50余篇，授权发明专利10余项。

田野，华中科技大学机械科学与工程学院博士后研究人员，于2023年获华中科技大学工学博士学位，主要研究方向包括复合材料结构、加筋结构及点阵结构的优化设计方法。

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