考虑强度与固化变形的复合材料加筋壁板铺层优化方法

加筋壁板是复合材料飞行器主承力构件的主要结构形式,通过复合材料铺层参数设计可以有效优化壁板的强度,但铺层参数的变化也会影响壁板的固化变形.因此,复合材料加筋壁板铺层设计过程中需要综合考虑整体强度和固化变形.本文针对复合材料加筋壁板结构,建立了失效分析模型和固化变形分析模型;基于实验设计方法、NSGA-Ⅱ遗传算法以及上述分析模型,建立了综合考虑强度与固化变形的加筋壁板铺层优化方法.优化结果显示复合材料加筋壁板在强度提高的同时,固化变形显著降低.     

民用飞机机身开口区优化分析研究

在民用飞机机身上通常布置较多舱门开口,导致机身结构刚度发生急剧变化。为了保证飞机结构刚度以及载荷的传递,本文对机身开口结构的刚度及强度进行了深入研究,明确了开口结构刚度的影响因素,并对开口角度大小及加强结构尺寸进行了优化。以上研究对机身开口结构设计及加强提供了方向和方法,可以用于飞机机身开口结构初步设计阶段。     

基于变密度法的平模台振加强筋布局优化

针对混凝土预制构件水平成型振动台(简称平模台振)振动效果改进的问题,提出了通过优化振动台面加强筋布局来提高其振动效果的方法.基于变密度拓扑优化法,建立以加强筋单元相对密度为设计变量,振动台面柔度最小为目标的优化模型,并进行灵敏度分析,采用最优准则法求解优化模型;根据拓扑优化结果,对振动台面加强筋进行布局优化,获得了合理的振动台面结构.通过仿真对比,优化后的振动台面既提高了结构固有频率、强度和刚度,又实现了结构轻量化,为平模台振的设计提供了指导.     

基于铺层参数的铺层方式与纤维分布协同优化的层合板最大刚度设计

纤维增强复合材料层合板的弹性性质依赖于单层板的纤维含量(体分比)以及铺层方式(总层数、各单层的厚度与铺设方向)。本文研究在给定材料用量条件下层合板的最大刚度设计问题,采用铺层参数作为铺层方式的描述参数、以铺层参数和单层板纤维含量体分比在层合板面内的分布的描述参数为设计变量,以层合板的柔顺性最小为目标,建立了铺层方式和纤维分布协同优化的层合板最大刚度设计问题的提法和求解方法,给出了具有最大刚度的层合板最优铺层方式和纤维含量的分布规律的设计实例。     

复合材料加筋板铺层优化设计的等效弯曲刚度法

借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,建立了一种复合材料加筋板铺层顺序优化设计算法.等效弯曲刚度法基于层合板的弯曲刚度与其失稳载荷一一对应的关系,将任意铺层顺序的层合板等效成一个只有8层的对称铺层的辅助层合板,通过优化辅助层合板,得到层合板的最优弯曲刚度参数,最后以获得的最优弯曲刚度参数为约束应用遗传算法进行铺层顺序优化,获...     

复合材料后压力框加筋元件双轴拉伸试验与模拟

试验针对应用在飞机后压力框上的碳纤维织物复合材料的力学特性和设计压力框壳体加强筋的刚度匹配问题,本文设计了十字形的试件,并开展了双轴拉伸试验,测试分析了试件中心位置含有不同尺寸加强筋时对刚度和强度的影响。依照试验条件,建立有限元模型,以中心位置未加筋试件为基准,探讨了两种尺寸筋条增强效果的差异。试验与模拟结果表明:在双轴拉伸载荷作用下,帽型加强筋明显提高了试件刚度和强度;两种筋条尺寸的差异对于试件刚度和强度的影响不明显;根据重量最小的原则,在同等条件下使用较小尺寸加强筋更为合适;有限元模拟与试验结果吻合良好,验证了本文提出的试验和模拟方法可用于复杂应力条件下织物复合材料结构的力学性能分析。     

非对称铺层复合材料层合板质量优化设计

复合材料广泛应用于航空航天等领域,追求轻量化设计已经成为研究重点。对复合材料层合板质量优化设计,可以减少层合板的纤维用量,减小层合板的质量,降低成本。首先研究复合材料层合板在承受轴向载荷时,产生的形变量、应力示意图,分析容易发生失效部位;以层合板铺层厚度为设计变量,最大应变、铺层比例等为约束条件,最小化层合板质量为优化目标,对碳纤维复合材料层合板铺层厚度等设计变量进行优化,利用强度理论对优化结果进行校核,结合力学试验对比分析优化前后层合板力学性能。结果表明:碳纤维复合材料层合板经过优化后,总质量减轻约16.7%,优化后的层合板满足复合材料强度理论,实验结果与软件仿真具有一致性,说明优化方法是合理可靠的。     

OPTIMIZATION OF FUSELAGE OPENING ZONE OF CIVIL AIRCRAFT

在民用飞机机身上通常布置较多舱门开口,导致机身结构刚度发生急剧变化。为了保证飞机结构刚度以及载荷的传递,本文对机身开口结构的刚度及强度进行了深入研究,明确了开口结构刚度的影响因素,并对开口角度大小及加强结构尺寸进行了优化。以上研究对机身开口结构设计及加强提供了方向和方法,可以用于飞机机身开口结构初步设计阶段。     

基于水平集法的薄板加强筋分布优化理论研究

基于水平集方法,提出薄板加强筋分布的拓扑优化理论。采用Kirchhoff板单元,通过刚度等效,分别使用不同的抗弯刚度表征薄板与加强筋,继而通过水平集方法描述加强筋的布局并进行加强筋分布拓扑优化。以最小柔顺度为设计目标,进行了几种典型载荷下加筋板结构的加筋分布优化设计,通过与变密度方法（SIMP）结果以及现有文献设计结果进行对比,验证了本文提出的加强筋分布拓扑优化理论。结果显示,本文方法能够避免灰度单元,获得清晰的加强筋优化布局和尺寸。     

复合材料翼面结构优化设计及分析

复合材料具有比强度高、比刚度大、抗疲劳等诸多优异性能,在航空航天结构中得到了广泛的应用.复合材料在新研制的飞机上的应用比重也越来越高,在大型民用飞机Boeing787上,复合材料结构重量占到了全机结构重量的50%.复合材料层合板具有无与伦比的设计潜力,成为复合材料中使用最多的一种结构形式.本文以某型号飞机机翼翼盒为研究...     

错位铺层拼接层合板承载机制的试验与模拟研究

针对具有特殊细观结构的非均匀连续复合材料--错位铺层拼接层合板,测定了其拉伸强度和刚度,并观测了其断口破坏特征和表面铺层的应变分布;基于细观结构,建立了包含基体损伤演化的三维有限元模型,并进行数值模拟分析,研究了材料的传力和破坏机理。结果表明：铺层间断使断点附近及相邻层受间断影响处形成了局部高应变梯度,断裂模式为基体剪切破坏;铺层间断点处的载荷通过基体承剪的方式传递,远离间断点处则仍靠纤维传载;随着断点间距(在3mm~9mm范围内变化)的增大,强度和刚度逐渐增加,但幅度不超过1.4%和3.3%。     

基于蚁群算法的复合材料缠绕壳体铺层顺序优化

为了提高纤维复合材料缠绕壳体结构的屈曲稳定性,本文将蚁群算法(ACA)求解旅行商问题(TSP)的方法引入到缠绕层顺序优化的计算中.阐明铺层顺序优化的本质是调整沿板厚方向的刚度分布以提高版的抗弯刚度,同时改善荷载的传递路径,以降低由偏心而产生的附加弯矩,从而提高结构的抗屈曲能力;扩展了经典蚁群算法,提出一种分组编解码方法...     

连续纤维增强复合材料结构基频最大化设计

与传统的金属材料相比, 纤维增强复合材料在强度、刚度、抗断裂等诸多方面具备更优良的性能, 目前纤维增强复合材料已在汽车、航空航天等工业领域得到了广泛应用. 本文提出一种求解连续纤维增强复合材料结构无阻尼自由振动下的基频最大化问题的拓扑优化方法. 为了实现结构拓扑构型与纤维角度的同步优化, 建立了以准许的材料用量体积分数为约束、以结构的一阶特征值为目标函数的动力学拓扑优化模型, 该模型包括表征结构拓扑构型的密度设计变量和表征纤维方向的角度设计变量. 详细推导了特征值目标函数关于密度设计变量和角度设计变量的解析灵敏度列式, 并采用移动渐进线方法 (method of moving asymptotes, MMA) 进行了优化求解; 最后通过3个数值算例验证本文方法的有效性, 其中包括一个以刚度最大化为目标的静力学优化算例, 和两个以一阶特征值为目标的动力学优化算例. 结果表明, 所提方法优化迭代过程稳健, 收敛快, 能够在实现结构拓扑构型与纤维角度的一体化优化的同时, 有效提高结构的频率.      

复合材料层板损伤后刚度衰退的实验研究

对复合材料单向板进行了0°、90°、45°拉伸实验,对铺层为[0°/90°]、[±45°]的层合板进行了拉伸实验,对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维缠绕的NOL环试样分别进行了短梁剪切实验。实验结果表明:碳纤维/环氧树脂基体复合材料单向板没有明显的非线性行为,而层合板在树脂开裂、面内及层间剪切破坏导致的刚度降低却很明显。层间剪切破坏不仅导致剪切刚度的降低,还会引起弯曲刚度的降低。玻璃纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材料在三点弯曲实验过程中体现了较强的抗损伤能力,韧性较好;而碳纤维增强树脂基复合材料抗层间损伤能力较差。本文用标准实验方法,跟踪载荷-变形曲线,得到了用于应力分析的刚度衰减系数。用最大应力准则及实验得到的刚度衰减系数,对直径为1400mm的纤维缠绕壳体进行了变形分析,计算结果与实验值一致性较好。     

预加载复合材料层合薄板低速冲击理论分析

为更真实地揭示飞机复合材料结构抗冲击性能,开展了面内预载荷作用下的复合材料层合薄板低速冲击行为研究。根据各向异性材料弹性力学和经典薄板理论,采用Sveklo接触律描述了冲击接触刚度和冲击变形,通过面内载荷引入预载荷因素,提出了弹性球体低速冲击预载荷复合材料层合薄板的理论分析模型;并探讨了面内预载荷状态及冲击速度对结构冲击动响应的影响规律。结果表明:面内预载荷对冲击力和冲击变形均有显著影响;面内压缩载荷降低了结构抗弯刚度,使横向抗冲击性能降低,而面内拉伸载荷反之;低速冲击过程中的接触区域面积很小,分布冲击力可简化为集中力处理。作为复合材料层合薄板低速冲击过程的重要影响因素,预载荷状态必须加以考虑。     

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

薄壳结构噪声约束下附加阻尼层的最小成本设计

薄壳附加阻尼层旨在降低薄壳结构的噪声,为此本文研究该系统成本最小的优化设计:以包含阻尼的结构各层的倒厚度为设计变量,以满足设计的噪声要求为约束条件,以结构成本(包括约束阻尼层结构的薄壳基础层、阻尼层、约束层的材料费用)作为目标函数.利用K-S函数得到最大振动加速度级来描述噪声,运用响应面方法显式化噪声约束函数,采用序列二次规划求解优化模型.算例表明,增加阻尼层和约束层的厚度有利于增强结构的阻尼和刚度,优化设计使得薄壳结构的造价降低8.44%,且使结构的振动综合指标降低了27.08%,从而使结构减振降噪性能得到了提高.     

变截面含筋夹层复合材料悬臂结构刚度特性规律研究

含筋夹层复合材料悬臂结构现已在舰船工程应用中得到关注,然而因为变量众多,在方案设计阶段对弯曲刚度特性的把握往往较为困难.对此,首先基于典型结构应用背景需求,建立了变截面含筋夹层复合材料梁弯曲刚度理论计算模型;进而制作结构模型,开展刚度特性试验研究,通过试验与计算结果的对比,验证了计算方法的有效性;最后探讨了各主要构件材料参数、面板混杂纤维含量、面腹板截面分配以及腹板铺层比例对刚度的影响规律,所得结论可为变截面含筋夹层复合材料悬臂结构方案设计提供参考.     

复合材料刚度性能表征的协同损伤力学模型

针对复合材料层合板的弥散型损伤,提出一个刚度性能表征的协同损伤力学模型. 该模型兼顾了微观物理损伤响应和宏观材料刚度性能表征. 从微观角度,建立细观RVE 模型求解裂纹表面张开位移和滑开位移,以此定义损伤张量,并在宏观上通过对材料应变和损伤表面位移进行均匀化处理,建立单向板或层合板的损伤刚度矩阵和损伤张量之间的联系. 以基体裂纹为例,详细分析并建立了横向裂纹和纵向裂纹的损伤本构. 计算了[±θ/90₄]_S 铺层层合板中基体横向裂纹对刚度性能的影响,结果表明该方法能够准确地预测复合材料层合板由损伤导致的刚度性能衰减.      

低速撞击下正交型纤维增强复合材料层板的脱层研究

用不饱和聚脂预浸渍玻璃纤维带制作了几种正交型铺层序列的层板梁试件,并对其在固支条件下进行了横向冲击实验。用嵌入式加速度传感器得到了载荷历史,通过高速摄影机和显微摄像系统从层板侧面观察了脱层现象。根据最大剪应力准则,通过对层板内部剪应力的分布以及不同铺层间三种不同剪切破坏强度的近似分析,解释了首次脱层具体位置和二次脱层现象。试验和分析表明,脱层失稳所对应的脱层阈值载荷与试件的铺层结构有关。但是,对不同铺层结构的试件,发生脱层的0°/90°界面具有相同的细观剪切强度。因此,用细观界面剪切强度来分析和预言试件的脱层失稳更具有一般性。