復合材料層合板及機翼格柵結構的動態(tài)特性優(yōu)化設計

提出了對大展弦比機翼進行輕量化設計的方法,以一長航時無人機機翼為例,基于原機翼建立合理的三維模型,以機翼彎曲變形為約束,最小機翼質量為設計目標,建立強長桁-弱蒙皮結構,對機翼結構中殼板單元鋪層厚度和梁單元截面尺寸分別進行優(yōu)化。結果表明:經過結構優(yōu)化設計后機翼減重18.52%,為無人機輕量化,提高長航時無人機航時提供有益參考。

先進復合材料格柵加筋結構有較高的結構效率和較好的設計性能,在航空航天領域有著廣泛的應用。本文采用等效平鋪剛度模型對格柵結構進行了力學分析,指出其屈曲載荷的求解方法,并用區(qū)間方法對工程中的非概率不確定因素進行定量,用遺傳算法對格柵結構進行了可行穩(wěn)健性優(yōu)化設計。將穩(wěn)健性優(yōu)化的結果與傳統(tǒng)優(yōu)化的結果進行了比較,結果表明,穩(wěn)健性優(yōu)化得到的結構質量要高于傳統(tǒng)方法,但結構的可靠性和穩(wěn)健性顯著提高。

采用有限元方法對低速沖擊后蒙皮內含有不同分層形式的復合材料格柵加筋(ags)板的分層擴展行為進行了數值模擬。采用虛裂紋閉合技術計算分層前緣的總能量釋放率,并以總能量釋放率準則作為分層擴展判據,結合自適應網格移動技術,分別研究了在壓縮載荷作用下,蒙皮內具有圓形和橢圓形分層的復合材料格柵加筋板的分層擴展過程。數值研究結果表明:分層深度的變化導致了ags的分層擴展特性十分復雜,它與分層深度、初始分層尺寸、蒙皮和肋骨的剛度比、后屈曲變形模式等因素都密切相關。本文結論對ags的承載能力預測及優(yōu)化設計具有一定的參考價值。

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通過斷裂力學的方法,應用大型有限元軟件,分析典型加筋機翼整體壁板幾何參數對止裂特性的影響。對各種參數下多筋條鋁合金整體加筋壁板,裂紋從斷裂筋條下向兩側均勻擴展的開裂模式,進行剩余強度的計算。采用遺傳算法對典型加筋整體壁板參數進行優(yōu)化設計,該計算與設計是根據中心加強件斷裂的蒙皮雙跨裂紋最大損傷范圍的建議進行的。其能找出滿足裂紋處在雙跨筋條間距以內被有效止裂的條件下,使結構重量最輕的參數,為保證剩余強度下進行結構減重設計提供參考。

復合材料層合板下陷是飛機結構中應用廣泛的典型結構細節(jié)。以下陷長深比、相同方向下陷區(qū)間距、兩個不同方向下陷區(qū)間距為下陷區(qū)設計變量,建立參數化有限元模型；通過下陷應力應變分布、初始失效和最終承載能力分析,確定各設計變量對下陷區(qū)結構力學性能的影響,并進行參數化設計。分析結果表明:下陷區(qū)結構最先發(fā)生損傷的部位為下陷區(qū)轉折處；合理的下陷參數設計變量取值為長深比b/a≥20、主受力方向上兩個下陷區(qū)間距a/h≥12、不同方向上兩個下陷區(qū)間距c/a_(min)≥1.5。

復合材料低成本制造技術是先進復合材料格柵結構能否廣泛應用的關鍵。目前,以混合工藝法、模具膨脹工藝和拉擠-互鎖及其增強改進工藝為代表的工藝方法已經取得較大的成功和應用,我們應該繼續(xù)研究可靠性高、可重復性強和自動化的成型工藝方法,引進和發(fā)展大型ags結構的自動化生產設備。

在新型、高效的拉擠互鎖復合材料格柵結構的制造工藝中通過格柵肋開槽克服材料堆積,而開槽處的應力集中會影響結構的破壞和疲勞,是結構設計中需要考慮的一個重要因素。建立了加帽的格柵肋應力分析模型,應用復變函數孔口問題解的結果,得到了格柵肋開槽附近的應力解。分析了格柵肋開槽處的應力集中,討論了開槽尺寸,材料常數等因素對應力集中的影響。

復合材料第十五章-復合材料的界面及界面優(yōu)化設計

點陣結構能夠很好地發(fā)揮纖維增強復合材料單向力學強的優(yōu)勢。本文研究了復合材料點陣結構的拓撲優(yōu)化及尺寸優(yōu)化方法,以空間機械臂為背景,利用有限元分析軟件對空間機械臂桿進行優(yōu)化。首先,利用拓撲優(yōu)化進行概念設計,優(yōu)化出結構中的基本桿件;其次,利用尺寸優(yōu)化確定各桿件的具體尺寸。最后優(yōu)化出的十六邊形點陣結構,與傳統(tǒng)的層合管進行相比,結構減重效果明顯,對復合材料點陣結構的設計研究具有一定的參考價值。

采用壁板顫振分析的有限元方法,從壁板的正則化彎曲剛度、屈曲臨界溫升、顫振臨界速壓和極限環(huán)顫振幅值等參數的角度,分析了不同鋪層方向和不同鋪層順序對層合復合材料壁板的顫振特性的影響,并給出了幾種常見鋪層方式層合復合材料壁板的顫振特性。結果表明,在設計復合材料壁板的鋪層方向和鋪層順序時,一般可以通過壁板正則化彎曲剛度的大小來對顫振速壓進行比較。但是在某些特殊的鋪層情況下,隨著溫度升高,發(fā)生頻率重合型顫振的耦合模態(tài)會發(fā)生演變,這時正則化彎曲剛度較大的壁板也有可能在較低的速壓下發(fā)生顫振。

采用商業(yè)有限元軟件msc.nastran,運用簡單的shell單元對復合材料格柵結構蒙皮和加強筋進行模擬,預測復合材料格柵結構名義縱向拉伸強度/模量,彎曲強度/模量。計算結果表明,隨著復合材料格柵中肋高度的增加,名義彎曲強度/模量和拉伸強度/模量均有下降趨勢。

在拉擠-互鎖平板型復合材料格柵結構的制作演示基礎上,提出了幾種增強改進的方法,并實現了一種平板型復合材料格柵結構的制造。借助有限元模型,考慮到結構的力學性能和制作工藝,對結構的最優(yōu)化幾何參數進行了研究,建立了加帽增強平板型格柵結構幾何參數的初步設計方法。

介紹了采用開模膨脹橡膠法制造帶加強筋的復合材料機翼整體油箱油箱蓋板的一次共固化的工藝方法。針對初期制造的油箱蓋板存在的比較嚴重的質量問題,包括翹曲、筋條尺寸超差、大面積分層及空隙密集等,提出了相應的設計修改、工藝改進和質量控制措施,最終制造出合格的制件,通過了功能試驗和飛行考核。

板錐網殼結構是一種受力性能合理、技術經濟效益良好的新型空間結構形式。本文結合復合材料力學理論和復合材料結構力學(板殼理論),采用組合結構有限元對復合材料層合板自身的強度和主要影響因素進行全面和深入的研究,研究復合材料板錐網殼結構的受力性能,為復合材料板錐網殼結構設計和層合板鋪層設計提供理論上的依據,得出了可應用于工程實踐的重要結論。

復合材料風力機葉片鋪層厚度對葉片性能影響作用明顯,不同角度纖維布所占鋪層厚度不同對葉片結構性能影響不同。采用遺傳算法作為優(yōu)化算法,以某1.5mw成熟風機葉片作為研究模型,探究單向纖維布鋪層厚度對風機葉片性能影響的特性規(guī)律。根據風力機葉片結構特點,確定合適建模方法,尋求適于非對稱層合板的目標函數、遺傳算子(選擇、交叉、變異)等,并在此基礎上得到采用不同纖維布鋪設的風機葉片鋪層厚度最優(yōu)解。

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民用飛機翼身整流罩復合材料面板力學性能研究

論文開展了受拉伸復合材料層合板圓形開口四種補強型式的研究.首先,基于hoffman準則,分析補強型式對首層失效強度的影響,再通過比較開口周圍最大應力和應變的降低程度,分析圓缺、環(huán)形、橢圓缺和矩形缺四種補強型式的補強效率.通過有限元參數化建模,分析了幾何尺寸對補強效率的影響,給出了不同補強型式適合的補強范圍.研究表明通過合理地設計補強型式可以有效地降低應力集中,提高拉伸破壞強度.分析結果可以為復合材料飛機結構在相似形狀和載荷條件下的補強設計提供參考.

復合材料在靜態(tài)和動態(tài)載荷作用下的損傷形式是十分復雜的,精確的模型能更深刻地揭示復合材料的損傷機理。以hahn和tsai提出的單向損傷模型為基礎建立了剛度遞降關系,運用上述剛度遞降關系給出了一個疲勞壽命算例,計算數據與試驗結果較為吻合,相對誤差分別為7.72%和8.79%。結果表明:材料在循環(huán)加載作用下的損傷過程大體上可以分為兩個階段;通過保留泰勒級數展開二次項,能準確模擬出材料的"突然死亡"行為。

將最優(yōu)化方法應用到復合材料格柵板的載荷重構中,基于文獻[11]所建立的前向響應模型,通過構造誤差性能指標j表征前向響應模型與實測響應的差,將載荷的反演轉換為所定義誤差性能指標極值條件的獲取,應用平滑算法對指標j的極值進行了求解;并借助分布式響應的功率梯度云和指標j極值點的搜索給出了一套由粗到精的載荷定位方法,實現了ags板的載荷時程和載荷位置的同時重構。算例與實驗研究表明,本文方法具有較高的反演精度和魯棒性,從而為ags的工程應用提供了必要的技術儲備。

先進復合材料格柵結構(ags)在航空、航天結構工程中有著廣泛的應用前景。本文作者針對低速沖擊載荷作用下先進復合材料格柵結構的載荷重構進行了研究。本文中研究了平板型復合材料格柵結構在橫向低速沖擊載荷作用下的前向響應近似模型?？紤]ags板蒙皮/肋的彎剪耦合效應和截面偏心距e,對平板型復合材料格柵結構的等效剛度模型進行了改進?；诟倪M的等效剛度模型和非對稱mindlin板理論,建立了平板型格柵結構的前向響應近似模型及其狀態(tài)空間表達式,應用傅立葉展開求解了低速橫向沖擊載荷作用下的結構響應,并通過數值試驗驗證了該方法的實用性與可靠性。該部分研究將為平板型復合材料格柵結構的載荷重構ⅱ:逆向重構的研究提供前提條件和理論基礎。