复合材料身管结构分析与优化研究

论文摘要

复合材料应用于火炮身管有利于减轻身管重量，延长身管使用寿命，从而提高火炮武器系统的战技性能。本文结合国内外复合材料的研究成果，借助现代先进的计算技术、分析方法和试验手段，对复合材料身管进行了系统深入的分析，围绕复合材料身管的强度特性、热弹性特性、动态特性、结构优化和近似建模等方面的问题进行研究和讨论，建立一套较为完整的复合材料身管结构分析方法和优化方法，并取得一些有用的结论，为复合材料身管在火炮中的应用提供可靠理论依据。 从各向异性材料力学出发，建立复合材料身管的力学模型，导出复合材料α单元应力应变求解方程式，并探讨复合材料界面应力应变计算方法；根据复合材料设计方法并结合理论模型，采用有限元方法，建立了复合材料身管三维有限元强度分析模型，通过求解获得身管应力应变情况，并采用二次蔡-吴准则进行强度校核。 针对复合材料身管的热弹性问题，基于有限元方法，进行复合材料身管非线性热弹性分析和三维瞬态热结构耦合分析。通过对复合材料模拟身管进行非线性热弹性分析，得出物性参数随温度变化对身管温度场分布、热应力和固有频率的影响规律；通过对某口径复合材料身管的三维瞬态热结构耦合分析，获得该身管在发射条件下温度变化规律和身管动态应力变化规律。 复合材料身管动态特性问题的研究是从复合材料身管模态特性、阻尼特性和强迫响应三个方面内容进行的。通过模态特性分析，得到复合材料身管的各阶固有频率和振型，通过复合材料缠绕角参数研究，获得复合材料身管各阶固有频率随缠绕角变化的规律；对复合材料阻尼机理进行深入分析，推导复合材料能量耗散公式，采用模态应变能方法，计算复合材料身管自由模态和约束模态下各阶频率的模态阻尼损耗因子；在模态分析和阻尼分析的基础上，采用模态叠加动力学有限元计算方法，对复合材料身管的强迫响应特性分析，计算获得复合材料身管的炮口振动情况。采用先进的火炮自动测试系统，对复合材料身管进行了实弹射击试验，所测得的试验结果与理论计算结果能够很好的吻合，验证理论计算模型的正确性和试验系统的可靠性。 以复合材料身管为优化对象，根据不同的优化目标和优化层次，分别进行刚度优化、多目标优化以及多学科综合优化，提出一套适合于复合材料身管的多层次的结构优化方法。根据复合材料身管刚度特性要求，建立复合材料身管在强度和重量约束条件下的刚度特性优化模型，采用复合形法进行了优化求解；根据复合材料身管设计时的多指标要求，建立以刚度和重量为目标的复合材料身管多目标优化模型，采用改进的非支配排序遗传算法，对复合材料身管进行了多目标优化，获得在刚度目标和重量目标下的复合材料身管最优解集；在复合材料身管的多学科优化中，综合考虑了复合材料身管的结构性能、热学性能、物理性能等多个学科的设计要求，采用多学科优化

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 国内外研究状况和发展趋势
• 1.2.1 复合材料在火炮身管上的应用现状和发展趋势
• 1.2.2 复合材料结构分析与优化研究现状和发展趋势
• 1.3 本文的主要工作
• 2 复合材料结构基本理论和优化方法
• 2.1 概述
• 2.2 复合材料结构基本理论
• 2.2.1 复合材料广义虎克定律
• 2.2.2 复合材料应力应变转换矩阵
• 2.2.3 复合材料工程常数
• 2.2.4 单向复合材料的弹性特性
• 2.2.5 复合材料细观力学
• 2.2.6 强度破坏准则
• 2.3 复合材料结构优化方法
• 2.3.1 复合材料结构优化
• 2.3.2 遗传算法基本原理
• 2.3.3 复合材料结构优化的遗传算法实施过程
• 2.4 本章小结
• 3 复合材料身管强度特性分析
• 3.1 概述
• 3.2 复合材料身管力学模型
• 3.3 复合材料身管复合方案
• 3.4 复合材料身管强度有限元分析
• 3.4.1 用于模拟复合材料的三维实体单元
• 3.4.2 复合材料身管有限元模型
• 3.4.3 有限元分析结果及评价
• 3.5 本章小结
• 4 复合材料身管热弹性分析
• 4.1 概述
• 4.2 复合材料身管热弹性问题基本方程
• 4.2.1 热传导控制方程和边界条件
• 4.2.2 热传导有限元一般格式
• 4.2.3 弹性热应力有限元基本方程
• 4.2.4 非线性热弹性有限元方程
• 4.3 复合材料身管非线性热弹性分析
• 4.3.1 非线性热弹性分析模型
• 4.3.2 计算分析过程
• 4.3.3 温度场计算结果和分析
• 4.3.4 应力计算结果和分析
• 4.3.5 固有频率计算结果和分析
• 4.4 复合材料身管三维瞬态热结构耦合分析
• 4.4.1 热结构耦合基本方程
• 4.4.2 复合材料身管三维热结构耦合分析模型
• 4.4.3 计算结果及讨论
• 4.5 本章小结
• 5 复合材料身管动态特性分析
• 5.1 概述
• 5.2 复合材料身管动力学问题的有限元基本方程及求解方法
• 5.2.1 三维弹性动力学基本方程
• 5.2.2 运动方程
• 5.2.3 运动方程求解方法
• 5.3 复合材料身管模态分析
• 5.3.1 复合材料身管模态有限元模型
• 5.3.2 模态计算结果与分析
• 5.4 复合材料身管阻尼特性分析
• 5.4.1 复合材料能量耗散公式
• 5.4.2 基于模态应变能的复合材料身管损耗因子计算
• 5.4.3 计算结果与分析
• 5.5 复合材料身管强迫响应分析
• 5.5.1 复合材料身管强迫响应分析有限元模型
• 5.5.2 强迫响应计算过程
• 5.5.3 计算结果与分析
• 5.6 复合材料身管实弹射击试验
• 5.6.1 自动测试系统
• 5.6.2 试验结果
• 5.7 本章小结
• 6 复合材料身管结构优化
• 6.1 概述
• 6.2 复合材料身管刚度优化
• 6.2.1 刚度优化模型
• 6.2.2 优化算法及优化过程
• 6.2.3 优化算例
• 6.3 复合材料身管多目标优化
• 6.3.1 多目标优化模型
• 6.3.2 优化算法及优化过程
• 6.3.3 优化算例及结果分析
• 6.4 复合材料身管多学科耦合优化
• 6.4.1 复合材料身管多学科分析
• 6.4.2 复合材料身管学科聚类和层次分解
• 6.4.3 复合材料身管多学科耦合优化模型
• 6.4.4 多学科耦合优化求解框架
• 6.4.5 优化方法和优化过程
• 6.4.6 优化结果和分析
• 6.5 本章小结
• 7 复合材料身管结构近似建模与优化
• 7.1 概述
• 7.2 结构近似建模方法
• 7.2.1 多项式响应面方法
• 7.2.2 Kriging最优内插法
• 7.2.3 人工神经网络方法
• 7.3 复合材料身管结构近似分析
• 7.3.1 基于试验设计的样本采集
• 7.3.2 复合材料身管结构响应面模型
• 7.3.3 复合材料身管结构Kriging近似模型
• 7.3.4 复合材料身管结构BP神经网络模型
• 7.3.5 近似模型测试与计算实例
• 7.4 基于结构近似模型的复合材料身管优化
• 7.4.1 基于BP神经网络近似分析的优化模型
• 7.4.2 优化算法及流程
• 7.4.3 优化求解及结果评价
• 7.5 本章小结
• 8 全文工作总结
• 8.1 概述
• 8.2 本文完成的主要工作及取得的结论和创新点
• 8.3 今后的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 论文收录情况