环形曲面结构开孔形状动力学优化设计

作     者：胡坚堂 

作者单位：南昌航空大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙士平

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：环形曲面 序列响应面 开孔形状优化 频率带隙 复合材料锥壳开孔 

摘      要：本文简述了环形曲面开孔结构的发展与应用,并阐述了国内外结构优化研究现状。针对有限元法求解复杂问题响应优化过程耗时长的问题,提出了基于继承性均匀设计序列响应面的优化方法;在此基础上,开展了以改善结构动力学性能为目标的环形曲面结构开孔形状优化。主要工作及结论如下:提出一种基于继承性均匀试验样本点设计策略和子区域自适应缩放移动准则的序列二次响应面建模方法,达到提高优化效率的目的。通过典型测试算例和工程优化案例的优化设计验证了该方法的有效性。为计算耗时的工程优化设计问题提供了一种有效的方法。针对回转壳开孔形状优化问题,运用参数映射定义了基于超椭圆方程描述的回转壳面开孔封闭曲线的参数化表达,通过准弧长插值点生成方法实现了空间开孔边界的高精度曲线拟合,保证了回转壳曲面开孔结构的快速建模。优化结果表明使用扭曲超椭圆函数描述环形曲面薄壳结构开孔形状能有效扩大一、二阶频率带隙,降低开孔边界应力,提高屈曲载荷。复合材料的横向剪切刚度比纵向拉伸刚度小得多,而横向剪切效应对于振动频率、弯曲变形和弹性失稳载荷影响很大。因此,以一、二阶频率带隙最大化为目标对复合材料圆锥薄壳结构开孔形状进行优化。选取0°与90°、45°与-45°两组正交角度作为铺层角度参数,在不同的铺层角度组合下进行圆椎壳开孔形状优化。结果表明在相同铺层条件下,超椭圆开孔的优化结果优于圆形开孔。但是,不同开孔形状最大频率带隙对应的纤维铺层角度不同,所以对纤维铺层参数与开孔形状参数进行同步优化能够进一步提高频率带隙。