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变刚度复合材料机翼气动弹性优化设计方法研究

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变刚度复合材料机翼气动弹性优化设计方法研究

作者：肖诗雄合肥工业大学

学位级别：硕士

随着飞行器的飞行条件越来越苛刻,对飞行器的性能要求也越来越高。为使得飞行器适应更加复杂的飞行条件,其各项气动弹性性能必须有所提升。目前,提升飞行器的气动弹性性能的主要途径是对飞行器的结构强度和刚度进行优化,而轻质、比强度... 详细信息

随着飞行器的飞行条件越来越苛刻,对飞行器的性能要求也越来越高。为使得飞行器适应更加复杂的飞行条件,其各项气动弹性性能必须有所提升。目前,提升飞行器的气动弹性性能的主要途径是对飞行器的结构强度和刚度进行优化,而轻质、比强度大、耐热性良好的复合材料机翼及舵面的气动弹性剪裁设计成为气动弹性研究的热点之一,同时还为复杂气动弹性试验的相似模型设计提供了技术可能。相比于传统的直纤维复合材料,变刚度复合材料层合板的纤维角度是变化的,在一定程度上提高了复合材料机翼在气动弹性上的可设计性。针对变刚度复合材料机翼气动弹性优化设计,本文开展以下研究工作:在构建变刚度复合材料机翼模型时,本文采用以直代曲的思想将连续变化的纤维角度离散为对应模型的网格单元上的纤维角。对于亚音速范围内的变刚度复合材料机翼的气动弹性颤振问题,本文采用偶极子网格法模型计算非定常气动力,并结合线性颤振计算的p-k法分析机翼的颤振特性。对于高超声速下舵面颤振问题,则是结合经典活塞理论的颤振计算方法对舵面的颤振特性进行分析。针对变刚度复合材料机翼气动优化问题,本文在直纤维复合材料机翼的基础上,提出了基于矩阵摄动理论的气动弹性剪裁设计方法。该方法以曲线纤维的曲率为约束,采用纤维角度随位置呈二次变化的函数关系,通过矩阵摄动理论建立起纤维角度的变化对气动弹性颤振速度的敏感度问题,根据敏感值的大小调整纤维角度大小,最终得到变刚度复合材料机翼的纤维铺放轨迹。研究结果表明,相比直纤维复合材料机翼,利用该方法优化得变刚度复合材料机翼的颤振速度提升53%,同时曲线纤维轨迹的曲率在工艺要求范围内,有效的避免了纤维褶皱、间隙和重叠等问题,为变刚度复合材料机翼的气动优化提供了新的思路和方法。针对高超声速风洞的有效试验时间短,实验模型无法达到热平衡状态等问题。本文提出了一种基于变刚度复合材料的热颤振等效模型设计方法。该方法以NSGA-Ⅱ算法为理论基础,以复合材料纤维角度为设计变量,在考虑不超过目标模型质量的前提下,复合材料纤维角采用三次均匀B样条曲线,以等效复合材料模型与热配平后的目标模型的固有特性的误差最小为优化目标,对等效复合材料模型进行纤维角度的优化设计。计算结果表明了,两种模型的固有特性以及颤振特性误差均在7%以下,从而验证了等效模型的力学性能与目标模型的基本吻合,说明了等效模型法的正确性和可行性。

关键词：气动弹性剪裁矩阵摄动理论变刚度复合材料 NSGA-Ⅱ算法等效模型

变刚度复合材料结构设计方法及不确定性分析研究进展

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机械工程学报 2019年第8期55卷 46-55页

作者：王琥李启迪李光耀湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082

变刚度复合材料是一种高性能材料,其连续变化的铺丝角度相比传统直纤维具有更大设计裕度,但其设计、制造难度也相应增加。充分发挥变刚度复合材料的性能,亟待性能更好、更高效的全局优化方法。受制造工艺的掣肘,目前的变刚度复合材料仍... 详细信息

变刚度复合材料是一种高性能材料,其连续变化的铺丝角度相比传统直纤维具有更大设计裕度,但其设计、制造难度也相应增加。充分发挥变刚度复合材料的性能,亟待性能更好、更高效的全局优化方法。受制造工艺的掣肘,目前的变刚度复合材料仍有诸多缺陷。缺陷的存在使仿真结果严重偏离实际,进而严重影响系统的可靠性和安全性,甚至可能导致相关系统的失效。然而,业内却缺少对于变刚度复合材料不确定性分析的研究。主要对变刚度复合材料优化策略和不确定性分析进行综合评述,论述变刚度复合材料建模方法、优化方法和不确定性分析技术的研究历程和技术发展,并根据当前变刚度复合材料的发展现状和主要成果,从优化、分析和制造等方面对其未来发展提出几点建议。

关键词：变刚度复合材料设计方法不确定性

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复合载荷作用变刚度复合材料回转壳屈曲优化

复合材料学报 2019年第4期36卷 1052-1061页

作者：孙士平张冰邓同强胡政南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063

通过曲线纤维轨迹设计,变刚度复合材料回转壳将拥有比常刚度(直线纤维)回转壳更好的抗屈曲稳定性,为此,研究了复合载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料回转壳屈曲性能的影响规律。首先根据回转壳横截面圆弧变化改进... 详细信息

通过曲线纤维轨迹设计,变刚度复合材料回转壳将拥有比常刚度(直线纤维)回转壳更好的抗屈曲稳定性,为此,研究了复合载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料回转壳屈曲性能的影响规律。首先根据回转壳横截面圆弧变化改进曲线纤维角度线性描述方法,建立了变刚度复合材料回转壳的参数化有限元模型;其次,结合序列二次响应面方法和回转壳屈曲优化模型,搭建了复合材料回转壳曲线纤维轨迹优化的设计流程;最后,以准各向同性铺层复合材料回转壳为比较基准,对弯扭载荷作用变刚度圆柱壳和轴压、弯矩和扭矩分别作用变刚度椭圆柱壳在不同铺层方式、不同几何参数下的屈曲性能进行了优化比较。结果表明:弯扭载荷作用下,变刚度圆柱壳的屈曲性能随弯矩载荷占比增加而提高,且均好于准各向同性圆柱壳,但扭矩载荷占优时,优化常刚度圆柱壳的屈曲性能更具有优势;不同载荷作用下,具有较小截面方向比的变刚度椭圆柱壳屈曲性能要明显好于对应的准各向同性椭圆柱壳,且横截面越接近圆形,曲线纤维对椭圆柱壳屈曲性能的改善越弱。

关键词：变刚度复合材料复合材料回转壳屈曲优化组合载荷有限元

纤维曲线铺放的变刚度复合材料损伤失效试验研究

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固体火箭技术 2013年第6期36卷 826-830页

作者：杜宇杨涛戴维蓉李志猛牛雪娟天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387 天津工业大学机械工程学院天津300387

根据纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板层内铺层角度的参考路径制备出铺层顺序分别为[±45/±〈45/60〉2/±〈15/30〉]s和[±45/±〈15/30〉/±〈45/60〉/±〈30/45〉]s的变刚度复合材料层合板,并对该变刚度复合材料层合板在拉伸和弯... 详细信息

根据纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板层内铺层角度的参考路径制备出铺层顺序分别为[±45/±〈45/60〉2/±〈15/30〉]s和[±45/±〈15/30〉/±〈45/60〉/±〈30/45〉]s的变刚度复合材料层合板,并对该变刚度复合材料层合板在拉伸和弯曲载荷作用下的损伤破坏过程进行了试验研究,获得了该复合材料层合板的损伤破坏演化过程。通过对纤维直线和纤维曲线铺放的复合材料层合板的拉伸和弯曲试验进行对比,结果表明:在拉伸载荷作用下纤维曲线铺放比纤维直线铺放的复合材料层合板的极限载荷和强度提高了49%和42%,在弯曲载荷作用下的极限载荷和强度提高了28%和32%;纤维直线铺放的复合材料层合板的断口破坏较为严重。纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板的结构性能得到了显著提高。

关键词：纤维曲线铺放变刚度复合材料极限载荷强度试验研究

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变刚度复合材料结构的优化设计方法研究

变刚度复合材料结构的优化设计方法研究

作者：吴双华长安大学

学位级别：硕士

变刚度复合材料是一类新型复合材料,相比传统复合材料,它的设计空间更广阔,可实现面内各点刚度的人为设计。由于变刚度复合材料的纤维束可以沿曲线路径铺设,其铺丝方案复杂多样,加大了优化设计的难度。为提高优化算法在变刚度复合材料... 详细信息

变刚度复合材料是一类新型复合材料,相比传统复合材料,它的设计空间更广阔,可实现面内各点刚度的人为设计。由于变刚度复合材料的纤维束可以沿曲线路径铺设,其铺丝方案复杂多样,加大了优化设计的难度。为提高优化算法在变刚度复合材料优化问题中的寻优效率,本文依据设计的优化问题选取合适的优化算法或改进当前算法来提高算法寻优效率,缩短整个优化流程的总时长。本文以MATLAB为优化设计平台,通过修改Python脚本中相关参数来改变有限元建模参数,然后导入ABAQUS完成有限元计算。对于无需有限元计算的优化问题,直接在MATLAB中完成优化设计。文中选取了三个变刚度复合材料优化问题,并对相关算例进行了分析:（1）变刚度板的面内刚度优化设计问题。文中通过差分进化算法优化纤维铺设方案中的参数,使板的刚度达到设计目标值,同时对当前的自适应差分进化算法进行改进,以提高优化设计精度和寻优率;（2）变刚度板弯曲挠度的优化设计问题。为减少板受力弯曲时的最大挠度,运用引力搜索算法优化铺设方案参数,并引入动态维度搜索来提高传统引力搜索算法的局部寻优能力;（3）变刚度圆柱壳的线性屈曲载荷优化问题。在纤维铺设角线性变化的基础上,本文设计了铺设角非线性变化的铺丝方案。以轴压、外压和内压等多种组合荷载下圆柱壳的屈曲临界载荷为设计目标,应用径向基函数代理模型对铺丝方案中相关参数进行优化,并进行了相关分析。结果表明:（1）在处理本文的多变量（包含连续变量和离散变量）优化问题时,相比现有的差分进化算法,改进的自适应差分进化算法更加稳定且计算效率更高;（2）在变刚度层合板弯曲挠度的优化设计问题中,基于邻域动态维度搜索的引力搜索算法弥补了传统引力搜索算法局部搜索能力差的缺陷,前者寻优效率更高,收敛速率更快,优化结果可为变刚度层合板的优化设计提供参考;（3）为提高变刚度圆柱壳的抗屈曲性能,运用径向基函数代理模型优化两种铺丝方案（纤维角大小分别呈多项式函数和三角函数变化）中的参数,发现三角函数的铺丝方案设计空间更广阔,优化结果更好,且优化后两种铺丝方案的铺设角变化曲线十分接近,间接验证了优化算法的准确性。

关键词：变刚度复合材料差分进化算法引力搜索算法动态维度搜索径向基函数代理模型

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高速流场中变刚度复合材料层合板颤振分析

航空学报 2018年第3期39卷 111-121页

作者：欧阳小穗刘毅同济大学航空航天与力学学院上海200092

变刚度复合材料层合板在高速流场中的颤振行为是设计中需要考虑的问题。本文研究了高速流场中的曲线纤维变刚度层合复合材料壁板非线性颤振响应,分析了边界条件和纤维方向对颤振特性的影响。利用von-Karman大变形应变-位移关系,采用气... 详细信息

变刚度复合材料层合板在高速流场中的颤振行为是设计中需要考虑的问题。本文研究了高速流场中的曲线纤维变刚度层合复合材料壁板非线性颤振响应,分析了边界条件和纤维方向对颤振特性的影响。利用von-Karman大变形应变-位移关系,采用气动力活塞理论,根据虚功原理和有限元法建立变刚度复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型,采用Newmark法对壁板的颤振方程求解。给出了不同边界条件和纤维方向条件下层合复合材料壁板的颤振特性。计算结果表明:随着纤维在板中心处或在边界±a/2处与x方向夹角(T_0或T_1)的增大,颤振临界动压减小;相同动压下,随着T_0或T_1的增大,极限环振幅增大。研究表明采用曲线纤维进一步提高了复合材料层合板的可设计性,通过调整曲线纤维路径可以改变复合材料壁板的颤振特性。

关键词：非线性壁板颤振超声速流变刚度复合材料曲线纤维层合板变角度丝束

基于NURBS曲线的变刚度复合材料圆柱壳结构的优化设计

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基于NURBS曲线的变刚度复合材料圆柱壳结构的优化设计

作者：陈志强华中科技大学

学位级别：硕士

纤维增强复合材料具有高比强度、高比刚度、密度低和抗腐蚀性能好等特点,对于结构轻量化设计及结构性能的提升大有裨益,因此被广泛运用于航空航天,海洋结构和土木工程等诸多领域。相对于传统的直线纤维铺层复合材料,曲线纤维铺层变刚度... 详细信息

纤维增强复合材料具有高比强度、高比刚度、密度低和抗腐蚀性能好等特点,对于结构轻量化设计及结构性能的提升大有裨益,因此被广泛运用于航空航天,海洋结构和土木工程等诸多领域。相对于传统的直线纤维铺层复合材料,曲线纤维铺层变刚度复合材料具有更大的设计空间,对其进行优化设计研究具有重要的学术意义和实际应用价值。本文利用有限元分析软件ANSYS对曲线纤维铺层的变刚度（Variable Stiffness,VS）复合材料圆柱壳进行建模及优化设计,主要研究内容如下:（1）利用NURBS曲线和曲面,拟合复合材料圆柱壳VS铺层的纤维角度变化,构建同时考虑环向和轴向两个方向的曲线纤维路径的优化模型,以最大化屈曲载荷为目标,对VS铺层结构进行优化设计;（2）研究多个VS铺层对结构屈曲响应的影响,以及考虑强度约束下结构的最优屈曲响应。此外,为提高VS结构优化计算的效率,使用Kriging代理模型拟合结构响应,采用了一种混合更新方法,以提高代理模型的准确性和全局寻优能力。分析和计算结果表明,在纯弯矩工况下,NURBS曲面拟合整个壳面环向和轴向两个方向的VS的结果,与仅考虑环向VS的结果相近,但远优于常刚度（Constant Stiffness,CS）条件下的优化结果,承载能力提升了23.9%。当圆柱壳结构中间位置承受横向集中力作用时,相比单纯环向VS铺层,环向和轴向两个方向同时进行VS铺层设计,其性能提升了4.71%。另外,对于对称均衡结构,增加VS铺层数量,可以有效提升结构的屈曲承载能力,VS铺层在层合结构中的位置,也会对结构的承载能力产生影响。复合材料通过VS铺层设计,使得结构的刚度分布和内力分布更为合理,内力峰值下降,承载能力上升。

关键词：优化设计变刚度复合材料 Kriging代理模型 NURBS曲线（曲面）屈曲分析强度分析

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变刚度复合材料层合板壳的分析与优化

变刚度复合材料层合板壳的分析与优化

作者：邓同强南昌航空大学

学位级别：硕士

与传统的直纤维层合结构不同,丝束变角度层合结构是一种铺层纤维角度连续变化的变刚度复合材料,通过铺丝头牵引着丝束带沿特定的轨迹运动,实现纤维的曲线铺放,使得纤维角度在同一铺层上连续变化,从而扩大了复合材料的设计灵活性,充分地... 详细信息

与传统的直纤维层合结构不同,丝束变角度层合结构是一种铺层纤维角度连续变化的变刚度复合材料,通过铺丝头牵引着丝束带沿特定的轨迹运动,实现纤维的曲线铺放,使得纤维角度在同一铺层上连续变化,从而扩大了复合材料的设计灵活性,充分地利用纤维的方向特性,更好的改善结构性能和减轻结构重量。本文简述了变刚度复合材料层合结构的发展过程及国内外研究现状,以变刚度复合材料层合板壳为研究对象,在已有研究的基础上,通过设计丝束铺放轨迹,对其力学性能进行研究,主要工作如下:简述平移法和平行法这两种纤维铺放方式,分析容易出现间隙或者重叠区域的原因,综合比较两种方法优缺点选择平移法。介绍层合板(壳)的基本理论和序列响应面建模方法,选择二次函数造出响应面,再通过遗传算法优化获得原问题的优化解。设计变刚度层合板纤维曲线轨迹,通过连续曲线纤维离散化的思想建立了变刚度层合板的有限元模型,分析层合板在单向轴压和双向轴压载荷下纤维轨迹参数和几何参数对屈曲的影响。讨论纤维曲线轨迹和几何参数对层合板频率的影响,结合序列响应面法,对变刚度层合板的屈曲和频率特性进行优化,获得的T0、T1优化解。给出变刚度(椭)圆柱壳的纤维铺放路径和铺层顺序方案,在ANSYS中建立它们的有限元模型;在轴压,弯矩,扭矩载荷条件下,同时分析(椭)圆柱壳几何尺寸对屈曲性能的影响。然后以临界屈曲系数为目标,优化层合壳的屈曲特性。结果表明:在弯矩载荷作用下,用曲线纤维铺层θ代替[45/0/-45/90/-45/0/45/90]s层合壳中含有45°直线铺层,可显著提高圆柱壳的屈曲性能;通过控制丝束角度连续变化,改变椭圆柱壳圆周方向的刚度,达到适当的增加平坦部分的刚度,曲率半径小的那部分刚度适当减小,可以有效的提高椭圆柱壳的屈曲性能。

关键词：变刚度复合材料圆柱壳椭圆柱壳屈曲优化设计

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基于代理模型的变刚度复合材料结构优化设计

基于代理模型的变刚度复合材料结构优化设计

作者：钟继凡华中科技大学

学位级别：硕士

纤维铺层的复合材料因其优异的力学性能,被广泛应用于航天航空、深海等军工领域和民用领域,研究其可设计性可以更好的发挥结构的高强度、轻量化特性。传统直线纤维铺层的复合材料一定程度限制了复合材料结构的可设计性,为了充分发挥结... 详细信息

纤维铺层的复合材料因其优异的力学性能,被广泛应用于航天航空、深海等军工领域和民用领域,研究其可设计性可以更好的发挥结构的高强度、轻量化特性。传统直线纤维铺层的复合材料一定程度限制了复合材料结构的可设计性,为了充分发挥结构可设计的潜力,有必要研究变角度纤维铺层的复合材料以进一步提升结构的力学性能。本文利用有限元分析软件ANSYS建立了纤维变角度铺层的复合材料筒体的有限元模型,考虑了单一荷载(含或不含椭圆度)以及组合荷载工况下的变角度纤维筒体的优化设计:(1)分别在纯弯矩荷载或轴向压缩荷载工况下,考虑不同几何缺陷或者特定形状制造(椭圆度),以纤维路径为设计变量,屈曲失效为约束,结构抗屈曲性能最大为目标进行优化设计;(2)在压弯耦合以及弯扭耦合组合荷载工况下,以纤维路径为设计变量,屈曲失效和强度破坏为约束,两端抗弯能力最大化为目标进行优化设计。由于变刚度复合材料结构优化设计问题涉及到有限元分析及其迭代寻优,存在设计变量多,计算量大等问题。为了提高计算效率,本文利用Kriging代理模型对结构响应进行拟合,采用遗传算法(GA)对结构实施优化设计。在Kriging代理模型构建中,提出了一种混合更新方法,降低了有限元分析调用次数。结果表明,在圆筒结构两端纯弯曲条件下,通过基于代理模型优化所获得的变角度纤维铺层的变刚度(VS)结构相比工程常用的准各向同性铺层(QI),抗屈曲能力提高了23.9%。与QI设计的圆筒结构相比,VS设计能够很大程度弥补椭圆度造成的抗屈曲性能损失。在组合工况情况下,与QI设计相比,VS设计能够在一定程度提高结构抗屈曲性能。复合材料纤维变角度铺层优化设计增大了设计空间,通过优化设计使得结构的强度和刚度更加合理,从而使结构的内力分布更加均匀。

关键词：变刚度复合材料椭圆度 Kriging代理模型混合更新方法组合荷载优化设计