纤维增强复合材料是一种高比刚度高比强度且可剪裁设计的材料,日益广泛地应用于航空航天、新能源、交通运输和运动器材等领域。纤维增强复合材料经过合理设计后能够显著地提高结构效率和降低制造成本。复合材料结构设计中通常将铺层方向、铺层顺序以及铺层厚度作为设计参数,根据设计原则考虑对称铺层、均衡铺层等约束条件,并综合考虑或考核结构重量、制造成本、结构强度和稳定性等指标。由于复合材料结构铺层设计中存在的离散性、设计空间极大以及丢层等问题,已有的复合材料结构铺层设计优化方法往往难以快速稳定地搜寻到最优铺层方案,因此有必要在已有研究的基础上,展开复合材料结构铺层优化方法研究。本文回顾了近几十年来国内外研究者在复合材料层压板和含丢层复合材料结构铺层优化以及复合材料结构性能预测研究方面的现状和已取得的一些重要结果,对目前该领域存在的问题进行了深入分析,并对复合材料层压板、含丢层复合材料层压板结构以及含丢层复合材料夹层结构进行了铺层优化方法研究。本文主要研究内容包括:(1)复合材料层压板铺层优化方法研究。在遗传算法框架内,为复合材料层压板的铺层构建了全新的染色体编码方式,使其能够通过自身架构施加奇数和偶数对称性约束以及更为合理地施加均衡性约束。同时,为了在保持进化过程中的多样性,针对新的染色体架构设计了排列因子变异、铺层数变异、铺层类型变异、铺层位置置换和交叉等五种遗传算子。最后通过多种工况下复合材料层压板的铺层优化算例对提出的优化方法进行了验证。该方法避免了已有方法中的设计空间被人为缩减或优化结果需人工修正等缺点,染色体和遗传算子的合理设计使得优化过程具备了良好的收敛性,计算成本均在可接受范围内,更为重要的是,与前人研究相比,得到了更轻或重量相当的铺层方案,与已有方法相比具有更加全面的铺层方案搜索能力。(2)含丢层复合材料层压板结构全局铺层优化方法研究。为了能够在含丢层复合材料层压板结构优化过程中对设计空间进行全面的探索,研究了两个复合材料层压板之间可连接性的必要条件。根据分析得到的可连接性条件,构建了全新的染色体,即铺层组分染色体和铺层排列染色体,使其通过自身架构在含丢层复合材料层压板结构的铺层优化过程中隐性地施加铺层连续性约束。为了在保持进化过程中的多样性的同时持续地满足各个子结构间的可连接性条件,针对新的染色体架构对变异、置换和交叉等3种遗传算子进行了具体设计。最后通过长条形复合材料层压板结构和U形复合材料层压板结构的全局铺层优化算例对提出的优化方法进行了验证,发现该优化方法得到的最优含丢层结构的重量与层压板独立优化得到的总重十分接近,充分说明该优化方法在含丢层复合材料层压板结构的铺层优化中具有较强的铺层方案搜索能力,同时,在对称铺层和对称均衡铺层情况下,该优化方法的计算成本均在可接受范围内,更为重要的是,与前人研究相比该方法能够十分稳定地得到更优的铺层设计方案。(3)含丢层复合材料夹层结构全局铺层优化方法研究。探索了含丢层复合材料夹层结构铺层优化问题中存在的特殊性。针对其特殊性在含丢层复合材料层压板结构全局铺层优化方法的基础上加入了铺层厚度染色体,采用铺层组分染色体、铺层排列染色体和铺层厚度染色体对含丢层复合材料夹层结构的全局铺层进行编码,并对各个染色体的基因取值范围以及遗传算子进行具体设计或改进,使其通过自身染色体架构和遗传操作在含丢层复合材料夹层结构的铺层优化过程中尽可能地不缩减设计空间。最后通过阶梯形复合材料夹层结构和U形复合材料夹层结构的全局铺层优化算例对提出的优化方法进行了验证,在计算成本在可接受范围内的同时,能够十分稳定地得到满足各项约束的铺层设计方案,从而证明了该优化方法的计算效率和计算稳定性。与初始的铺层方案相比,优化后的全局铺层方案能够大幅降低含丢层复合材料夹层结构的重量。同时,U形复合材料夹层结构的全局铺层优化算例表明,在稳定性约束下,轻质夹芯的加入能够明显降低含丢层复合材料结构优化得到的总质量,在夹芯厚度不连续的情况下,这种优势变得更加明显。(4)基于试验的复合材料结构性能预测和铺层优化方法研究。将复合材料结构性能预测问题转化为复合材料结构安全状态分类问题,更加充分地利用现有知识和经验对有限数据进行挖掘。并以概率神经网络为核心,借助其概率性原理避免在试验数据拟合中的过拟合问题。基于三组试验数据对复合材料开孔板的拉伸强度进行了预测。与试验数据中本身存在的变异性相比,该方法的预测误差在可接受范围内。基于试验的复合材料结构铺层优化方法以概率神经网络复合材料结构性能预测模型和改进的遗传算法为核心。借助少量试验结果和丢层优化设计,该方法显著地减轻了开孔复合材料层压板的重量。