基于双重压力Hashin约束的、具备可制造性意识的多目标筛选方法：用于丝材缠绕型IV类压力容器圆柱截面的设计

《Polymer Composites》：Manufacturability-Aware Multi-Objective Screening of Filament-Wound Type IV Pressure-Vessel Cylindrical Sections Using Dual-Pressure Hashin Constraints

　　

摘要

本文提出了一种针对直圆柱形纤维缠绕型IV复合压力容器截面的可制造性评估初步筛选框架。该方法在进行基于穹顶效应的有限元分析和渐进损伤分析之前，先对层压结构设计空间进行优化，而不是完全替代整个容器的爆破评估。利用德国航空研究院（DLR）公开的IV型复合压力容器数据集，采用经典层压理论在封闭端膜加载条件下评估了外层材料的性能。通过NSGA-II算法，在控制器兼容的角度和缠绕层厚度量化条件下，优化了四种螺旋角和七种缠绕层厚度。优化目标包括最大环向应力、最大径向膨胀以及圆柱形截面的质量。可行性评估采用双重压力、模式分离的Hashin筛选方法：在高压参考水平下检查纤维完整性，而在工作压力下重新评估基体完整性；Tsai–Wu指标用于表征被动性能。对于标准的DLR层压方案，该模型能够将实验得到的环向应变-压力关系误差控制在3.8%以内，但在轴向应变方面的预测误差为16.5%。代表性设计案例表明，采用选择性增厚环向层能够显著提升结构性能。

亮点

• CLT-NSGA-II筛选框架适用于缠绕层厚度量化的IV型圆柱形复合结构。
• 双重压力Hashin约束机制区分了纤维的储备性能和工作压力下的基体极限。
• DLR SN03数据支持对圆柱形截面区域的环向性能评估。
• 质量匹配的试验结果表明，选择性增厚环向层是提升结构性能的关键因素。
• 通过种子粒子生成、参数设置和边界松弛算法研究了结构的鲁棒性及其对设计参数的依赖性。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

用于验证的DLR IV型复合压力容器实验数据已通过Zenodo和Data in Brief公开发布 [29, 30]。用于生成优化结果和图的MATLAB脚本可向相应作者请求获取。