复合材料双曲率壳稳定性以及优化设计研究

论文摘要

复合材料双曲率壳和加筋双曲率壳都是飞机设计中的典型结构，其典型的失效形式就是屈曲以及屈曲引起的各种损伤破坏。研究复合材料双曲率壳和加筋双曲率壳的稳定性以及屈曲后的承载能力，具有非常强的工程应用价值。本文正是在此背景下，分析各种参数对其稳定性和承载能力的影响；研究初始分层缺陷对结构屈曲稳定性及承载能力的影响；同时，利用专业优化软件集成有限元软件，利用带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ），实现了对复合材料结构的多目标优化设计。本文的主要内容有：1、基于有限元软件ABAQUS中提供的改进的弧长法（Riks），分析了关键参数对复合材料双曲率壳的影响；利用文献提供的试验结果，首先验证了分析的准确性；在此基础上，讨论了铺层方式、铺层角度和铺层层数对复合材料双曲率壳屈曲和后屈曲稳定性的影响；系统地分析了曲率半径对四边型的双曲率壳、球壳、加筋双曲率壳以及加筋球壳后屈曲稳定以及承载能力的影响。得出曲率半径越大结构的后屈曲承载能力越好，曲率半径越小，结构的前屈曲承载能力越好的结论。2、本文基于虚拟裂纹闭合技术（VCCT）计算节点分开能量释放率的方法，讨论了初始分层损伤的存在以及分层扩展对复合材料平板和双曲率壳后屈曲稳定性及承载能力的影响。主要分析了分层深度、分层面积、分层分布、分层形式及曲率半径等关键参数对分层扩展及后屈曲稳定性的影响。发现屈曲中心向分层中心靠近；最薄子分层越薄，发生局部屈曲的可能性越高，分层扩展越容易；分层面积越大，发生局部屈曲的可能性越高，分层扩展越容易；曲率半径越大发生总体屈曲的特征越明显，分层的形式对面内承载能力也有很大影响。3、本文利用ABAQUS、MATLAB和iSIGHT相结合实现复合材料结构优化，讨论了多岛遗传算法用于复合材料结构单目标和多目标优化的优劣；根据对比分析，提出将带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）用于复合材料结构的多目标优化的观点，并以复合材料加筋曲壳为例验证了此方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文完成的工作
• 第2章 关键参数对复合材料双曲率壳稳定性的影响
• 2.1 基础知识
• 2.1.1 改进的弧长法
• 2.1.2 Hashin准则
• 2.2 各向同性材料双曲率壳后屈曲计算
• 2.2.1 分析说明
• 2.2.2 计算结果
• 2.3 选定网格密度
• 2.3.1 分析模型
• 2.3.2 计算结果
• 2.4 选定缺陷因子
• 2.4.1 分析模型
• 2.4.2 计算结果
• 2.5 铺层角度对复合材料双曲率壳后屈曲稳定性的影响
• 2.5.1 分析说明
• 2.5.2 对称交错铺层
• 2.5.3 反对称交错铺层
• 2.6 铺层层数对复合材料双曲率壳后屈曲稳定性的影响
• 2.6.1 参数说明
• 2.6.2 对称交错铺层
• 2.6.3 反对称交错铺层
• 2.7 曲率半径对复合材料双曲率壳后屈曲稳定性的影响
• 2.7.1 分析说明
• 2：R₁=1,R₁、R₂同时变化'>2.7.2 曲率半径比值不变R₂：R₁=1,R₁、R₂同时变化
• 2：R₁=0.9,R₁、R₂同时变化'>2.7.3 曲率半径比值不变R₂：R₁=0.9,R₁、R₂同时变化
• 2：R₁变化'>2.7.4 曲率半径比值R₂：R₁变化
• 2.7.5 小结
• 2.8 曲率半径对复合材料球壳后屈曲稳定性的影响
• 2.8.1 分析说明
• 2.8.2 计算结果
• 2.9 曲率半径对复合材料加筋双曲率壳后屈曲稳定性的影响
• 2.9.1 分析说明
• 2：R₁=1,R₁、R₂同时变化'>2.9.2 曲率半径比值不变R₂：R₁=1,R₁、R₂同时变化
• 2：R₁=0.9,R₁、R₂同时变化'>2.9.3 曲率半径比值不变R₂：R₁=0.9,R₁、R₂同时变化
• 2：R₁变化'>2.9.4 曲率半径比值R₂：R₁变化
• 2.9.5 小结
• 2.10 曲率半径对复合材料加筋球壳后屈曲稳定性的影响
• 2.10.1 分析说明
• 2.10.2 计算结果
• 第3章 初始分层损伤
• 3.1 引言
• 3.1.1 COHESIVE单元
• 3.1.2 虚拟裂纹闭合技术（VCCT）
• 3.1.3 VCCT准则与COHESIVE单元比较
• 3.2 分析可行性
• 3.2.1 分析说明
• 3.2.2 计算结果
• 3.2.3 小结
• 3.3 圆形分层对复合材料平板稳定性及分层扩展的影响
• 3.3.1 相关参数及分析说明
• 3.3.2 初始分层深度对屈曲和后屈曲稳定性的影响
• 3.3.3 初始分层面积对屈曲和后屈曲稳定性的影响
• 3.3.4 初始分层的分布对屈曲和后屈曲稳定性的影响
• 3.3.5 小结
• 3.4 对穿分层对复合材料平板稳定性及分层扩展的影响
• 3.4.1 相关参数及分析说明
• 3.4.2 初始分层深度对屈曲和后屈曲稳定性的影响
• 3.4.3 初始分层面积对屈曲和后屈曲稳定性的影响
• 3.4.4 小结
• 3.5 圆形分层对复合材料双曲率壳稳定性及分层扩展的影响
• 3.5.1 相关参数及分析说明
• 3.5.2 分层深度对屈曲和后屈曲稳定性的影响
• 3.5.3 分层面积对屈曲和后屈曲稳定性的影响
• 3.5.4 曲率半径对分层扩展的影响
• 3.5.5 小结
• 第4章 复合材料结构优化设计方法
• 4.1 优化算法介绍
• 4.1.1 iSIGHT对优化问题的表达
• 4.1.2 标准遗传算法
• 4.1.3 多岛遗传算法MIGA
• 4.1.4 带精英策略的非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ
• 4.2 设计方法说明
• 4.2.1 优化过程介绍
• 4.2.2 关键步骤
• 4.3 多岛遗传算法（MIGA）用于复合材料平板单目标优化
• 4.3.1 相关参数及约束条件说明
• 4.3.2 关键参数对结果的影响
• 4.3.3 计算结果对比
• 4.3.4 小结
• 4.4 多岛遗传算法（MIGA）用于T型加筋单曲率壳多目标优化
• 4.4.1 相关参数及约束条件说明
• 4.4.2 计算结果
• 4.4.3 小结
• 4.5 带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）用于T型加筋单曲率壳多目标优化
• 4.5.1 计算结果
• 4.5.2 小结
• 4.6 总结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历