飞行器复合材料结构弹性刚度剪裁优化设计技术研究

作     者：张桂江 

作者单位：西北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙秦

授予年度：2006年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：复合材料结构 弯扭耦合效应 弹性刚度剪裁优化 有限元模型 

摘      要：飞机复合材料结构综合优化设计是充分发挥复合材料可设计的特点、提高飞机整体性能的一种技术,可以充分利用复合材料结构的弯扭耦合效应,设计出满足结构刚度、强度以及气动弹性等性能指标要求且使得结构重量更轻的飞行器结构。 本文应用复合材料层合板理论,严格推导了矩形机翼盒段复合材料层合结构的弯扭耦合本构方程,建立了弯扭耦合系数的解析数学表达式,分析了盒段复合材料叠层铺向角以及整体偏转角对弯扭耦合效应的影响,给出了盒段弯扭刚度与铺向角的曲线变化规律;在此理论研究工作基础上,设计了矩形机翼盒段复合材料层合结构的弯扭耦合优化算法,组织了算法流程,且应用MATLAB编制了算法程序,根据具体算例验证了理论方法的正确性与有效性。由此,提出了有利于复合材料结构气动弹性设计且能够虑及复合材料层合结构损伤容限要求的几种弹性刚度剪裁优化方法。 针对某一具体发展型飞机全复合材料机翼结构设计,本文应用大型工程分析软件ANSYS进行了其结构有限元建模。在数值计算仿真的基础上,对该机翼结构的各构件截面几何参数实施了工程优化设计。优化设计分析中,充分应用了复合材料盒段结构的弯扭耦合可设计概念,在结构有限元模型上实施了分级优化数值计算技术,最终获得了较好的优化结果。 本文应用几何建模软件UG进行结构几何外形确定,然后利用ANSYS软件进行结构分析与优化设计组织,采用APDL命令流格式,完成了一套完整的结构建模—分析—优化设计过程,并由此总结出诸多有意义的实际应用经验。 本文建立的复合材料翼盒弯扭耦合方程、所提出的几种复合材料结构弹性刚度剪裁方法以及分级实用优化设计技术对工程复合材料飞机结构设计具有一定的理论与应用参考价值。