复合材料层合板及机翼格栅结构的动态特性优化设计

提出了对大展弦比机翼进行轻量化设计的方法,以一长航时无人机机翼为例,基于原机翼建立合理的三维模型,以机翼弯曲变形为约束,最小机翼质量为设计目标,建立强长桁-弱蒙皮结构,对机翼结构中壳板单元铺层厚度和梁单元截面尺寸分别进行优化。结果表明:经过结构优化设计后机翼减重18.52%,为无人机轻量化,提高长航时无人机航时提供有益参考。

先进复合材料格栅加筋结构有较高的结构效率和较好的设计性能,在航空航天领域有着广泛的应用。本文采用等效平铺刚度模型对格栅结构进行了力学分析,指出其屈曲载荷的求解方法,并用区间方法对工程中的非概率不确定因素进行定量,用遗传算法对格栅结构进行了可行稳健性优化设计。将稳健性优化的结果与传统优化的结果进行了比较,结果表明,稳健性优化得到的结构质量要高于传统方法,但结构的可靠性和稳健性显著提高。

采用有限元方法对低速冲击后蒙皮内含有不同分层形式的复合材料格栅加筋(ags)板的分层扩展行为进行了数值模拟。采用虚裂纹闭合技术计算分层前缘的总能量释放率,并以总能量释放率准则作为分层扩展判据,结合自适应网格移动技术,分别研究了在压缩载荷作用下,蒙皮内具有圆形和椭圆形分层的复合材料格栅加筋板的分层扩展过程。数值研究结果表明:分层深度的变化导致了ags的分层扩展特性十分复杂,它与分层深度、初始分层尺寸、蒙皮和肋骨的刚度比、后屈曲变形模式等因素都密切相关。本文结论对ags的承载能力预测及优化设计具有一定的参考价值。

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通过断裂力学的方法,应用大型有限元软件,分析典型加筋机翼整体壁板几何参数对止裂特性的影响。对各种参数下多筋条铝合金整体加筋壁板,裂纹从断裂筋条下向两侧均匀扩展的开裂模式,进行剩余强度的计算。采用遗传算法对典型加筋整体壁板参数进行优化设计,该计算与设计是根据中心加强件断裂的蒙皮双跨裂纹最大损伤范围的建议进行的。其能找出满足裂纹处在双跨筋条间距以内被有效止裂的条件下,使结构重量最轻的参数,为保证剩余强度下进行结构减重设计提供参考。

复合材料层合板下陷是飞机结构中应用广泛的典型结构细节。以下陷长深比、相同方向下陷区间距、两个不同方向下陷区间距为下陷区设计变量,建立参数化有限元模型；通过下陷应力应变分布、初始失效和最终承载能力分析,确定各设计变量对下陷区结构力学性能的影响,并进行参数化设计。分析结果表明:下陷区结构最先发生损伤的部位为下陷区转折处；合理的下陷参数设计变量取值为长深比b/a≥20、主受力方向上两个下陷区间距a/h≥12、不同方向上两个下陷区间距c/a_(min)≥1.5。

复合材料低成本制造技术是先进复合材料格栅结构能否广泛应用的关键。目前,以混合工艺法、模具膨胀工艺和拉挤-互锁及其增强改进工艺为代表的工艺方法已经取得较大的成功和应用,我们应该继续研究可靠性高、可重复性强和自动化的成型工艺方法,引进和发展大型ags结构的自动化生产设备。

在新型、高效的拉挤互锁复合材料格栅结构的制造工艺中通过格栅肋开槽克服材料堆积,而开槽处的应力集中会影响结构的破坏和疲劳,是结构设计中需要考虑的一个重要因素。建立了加帽的格栅肋应力分析模型,应用复变函数孔口问题解的结果,得到了格栅肋开槽附近的应力解。分析了格栅肋开槽处的应力集中,讨论了开槽尺寸,材料常数等因素对应力集中的影响。

复合材料第十五章-复合材料的界面及界面优化设计

点阵结构能够很好地发挥纤维增强复合材料单向力学强的优势。本文研究了复合材料点阵结构的拓扑优化及尺寸优化方法,以空间机械臂为背景,利用有限元分析软件对空间机械臂杆进行优化。首先,利用拓扑优化进行概念设计,优化出结构中的基本杆件;其次,利用尺寸优化确定各杆件的具体尺寸。最后优化出的十六边形点阵结构,与传统的层合管进行相比,结构减重效果明显,对复合材料点阵结构的设计研究具有一定的参考价值。

采用壁板颤振分析的有限元方法,从壁板的正则化弯曲刚度、屈曲临界温升、颤振临界速压和极限环颤振幅值等参数的角度,分析了不同铺层方向和不同铺层顺序对层合复合材料壁板的颤振特性的影响,并给出了几种常见铺层方式层合复合材料壁板的颤振特性。结果表明,在设计复合材料壁板的铺层方向和铺层顺序时,一般可以通过壁板正则化弯曲刚度的大小来对颤振速压进行比较。但是在某些特殊的铺层情况下,随着温度升高,发生频率重合型颤振的耦合模态会发生演变,这时正则化弯曲刚度较大的壁板也有可能在较低的速压下发生颤振。

采用商业有限元软件msc.nastran,运用简单的shell单元对复合材料格栅结构蒙皮和加强筋进行模拟,预测复合材料格栅结构名义纵向拉伸强度/模量,弯曲强度/模量。计算结果表明,随着复合材料格栅中肋高度的增加,名义弯曲强度/模量和拉伸强度/模量均有下降趋势。

在拉挤-互锁平板型复合材料格栅结构的制作演示基础上,提出了几种增强改进的方法,并实现了一种平板型复合材料格栅结构的制造。借助有限元模型,考虑到结构的力学性能和制作工艺,对结构的最优化几何参数进行了研究,建立了加帽增强平板型格栅结构几何参数的初步设计方法。

介绍了采用开模膨胀橡胶法制造带加强筋的复合材料机翼整体油箱油箱盖板的一次共固化的工艺方法。针对初期制造的油箱盖板存在的比较严重的质量问题,包括翘曲、筋条尺寸超差、大面积分层及空隙密集等,提出了相应的设计修改、工艺改进和质量控制措施,最终制造出合格的制件,通过了功能试验和飞行考核。

板锥网壳结构是一种受力性能合理、技术经济效益良好的新型空间结构形式。本文结合复合材料力学理论和复合材料结构力学(板壳理论),采用组合结构有限元对复合材料层合板自身的强度和主要影响因素进行全面和深入的研究,研究复合材料板锥网壳结构的受力性能,为复合材料板锥网壳结构设计和层合板铺层设计提供理论上的依据,得出了可应用于工程实践的重要结论。

复合材料风力机叶片铺层厚度对叶片性能影响作用明显,不同角度纤维布所占铺层厚度不同对叶片结构性能影响不同。采用遗传算法作为优化算法,以某1.5mw成熟风机叶片作为研究模型,探究单向纤维布铺层厚度对风机叶片性能影响的特性规律。根据风力机叶片结构特点,确定合适建模方法,寻求适于非对称层合板的目标函数、遗传算子(选择、交叉、变异)等,并在此基础上得到采用不同纤维布铺设的风机叶片铺层厚度最优解。

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民用飞机翼身整流罩复合材料面板力学性能研究

论文开展了受拉伸复合材料层合板圆形开口四种补强型式的研究.首先,基于hoffman准则,分析补强型式对首层失效强度的影响,再通过比较开口周围最大应力和应变的降低程度,分析圆缺、环形、椭圆缺和矩形缺四种补强型式的补强效率.通过有限元参数化建模,分析了几何尺寸对补强效率的影响,给出了不同补强型式适合的补强范围.研究表明通过合理地设计补强型式可以有效地降低应力集中,提高拉伸破坏强度.分析结果可以为复合材料飞机结构在相似形状和载荷条件下的补强设计提供参考.

复合材料在静态和动态载荷作用下的损伤形式是十分复杂的,精确的模型能更深刻地揭示复合材料的损伤机理。以hahn和tsai提出的单向损伤模型为基础建立了刚度递降关系,运用上述刚度递降关系给出了一个疲劳寿命算例,计算数据与试验结果较为吻合,相对误差分别为7.72%和8.79%。结果表明:材料在循环加载作用下的损伤过程大体上可以分为两个阶段;通过保留泰勒级数展开二次项,能准确模拟出材料的"突然死亡"行为。

基于数值仿真分析方法,针对某航天器结构中的十字梁结构进行了优化设计.依据结构承载特点,优化了传力路径,合理地设计了加强区域以及铺层顺序,并采用复合材料整体铺设成型工艺制备了试验件.试验结果表明,经过优化设计,十字梁结构重量由699g降低到436g,减重达37.6％,在6000n压缩载荷作用下的最大变形由0.33mm降低到0.19mm,满足其刚度设计要求.

提出了一种蜂窝夹层复合材料等效模拟方法.将面板与胶层等效为层合材料,并推导了其等效弹性参数.根据等效板理论、三明治夹芯板理论及所提出的方法分别建立自由-自由状态的铝蜂窝夹层复合材料有限元模型.将3种等效方法的数值计算结果与试验模态参数进行对比,结果表明,所提出等效方法的最大误差不超过5%,平均误差降低到2.03%,表明考虑胶层的影响,模态参数计算结果更为精确.通过控制变量法和相对灵敏度分析表明,胶层是影响复合材料动力学性能的关键因素之一,在面板与蜂窝胞壁连接良好的前提下,减小胶层的厚度或增加胶层材料的弹性模量能够有效提升材料的整体动态性能.