复合材料层合板开口补强优化设计

论文摘要

复合材料由于比强度、比刚度大,在航空、航天结构中得到广泛的应用。尤其在近几年研制的各种新型飞机上,大大提高了应用比重,如美国F-22战机上复合材料结构重量占到了24%,大型民用飞机Boing787复合材料结构也占到了全机结构重量的50%。复合材料层合板是复合材料中使用最多的一种结构型式,它具有很好的结构可设计性。航空航天结构由于检查、维修、导管通过等原因,需要很多开口。对于复合材料层合板,开口将破坏纤维的连续性,会降低结构的承载能力,需要对开口结构进行补强设计。本文对复合材料层合板开口进行了初步的补片补强优化设计方法研究。对于矩形开口,研究了周围补片外形参数和各方向铺层厚度的优化设计。首先通过iSIGHT试验设计方法确定离散的外形参数点,由PARTRAN对每一外形参数点建立结构有限元优化分析模型,根据NASTRAN得出对应各参数点的最优铺层厚度参数和质量响应;其次利用试验数据建立结果的响应面模型,并利用优化算法求解该模型得出最优的补片外形参数;最后在最优外形参数的基础上,再次建立结构优化分析模型得出最优的铺层厚度参数和对应的目标函数值并对相关结果进行工程化处理。利用本文发展的优化设计方法,对某机翼蒙皮壁板矩形开口处进行了在拉伸和压缩载荷作用下的开口补强优化设计,设计结果显示了明显的减重效果,解决了具体工程设计中的问题。本文研究的优化设计方法具有普遍的意义,可适用于解决结构上其他位置、其他形状开口的补强设计问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 复合材料概述
• 1.1.1 基本概念
• 1.1.2 复合材料的应用
• 1.1.3 复合材料力学分析方法
• 1.2 复合材料结构优化设计
• 1.2.1 结构优化设计
• 1.2.2 复合材料结构优化设计发展概况
• 1.3 复合材料的开口破坏及补强研究
• 1.3.1 复合材料开口破坏分析研究
• 1.3.2 复合材料开口补强研究
• 1.4 本论文的研究内容及研究方法
• 第二章 飞行器结构优化设计理论与方法
• 2.1 飞行器结构优化设计理论概述
• 2.2 结构优化设计的数学模型
• 2.3 满应力设计
• 2.3.1 满应力设计的概念
• 2.3.2 比例满应力设计
• 2.4 可行方向法
• 2.5 序列二次规划法
• 2.6 NASTRAN 优化设计方法
• 2.6.1 NASTRAN 优化方法
• 2.6.2 NASTRAN 优化分析流程
• 第三章 层合板开口补强结构优化设计
• 3.1 层合板开口补强优化设计问题描述
• 3.2 层合板结构开口补强设计特点
• 3.2.1 层合板设计特点
• 3.2.2 层合板开口设计
• 3.2.3 开口补片补强设计
• 3.3 开口补强优化设计方法
• 3.3.1 设计流程概述
• 3.3.2 试验设计法
• 3.3.3 近似模型
• 3.3.4 优化算法
• 3.4 iSIGHT 软件介绍
• 3.5 在拉伸载荷下层合壁板开口补强优化设计过程
• 3.5.1 确定蒙皮壁板未开口情况下主应变为4000uε时的载荷水平
• 3.5.2 开口层合壁板应力应变分析
• 3.5.3 层板开口补强优化设计
• 3.5.3.1 数学模型
• 3.5.3.2 优化过程和结果
• 3.5.3.3 结果分析
• 3.5.3.4 用试验验证NASTRAN 的有限元分析结果
• 3.6 在压缩载荷下层合壁板开口补强优化设计过程
• 3.6.1 NASTRAN 屈曲分析过程
• 3.6.2 未开口壁板的屈曲分析
• 3.6.3 开口壁板屈曲分析
• 3.6.4 屈曲开口补强优化设计
• 3.6.4.1 数学模型
• 3.6.4.2 优化过程和结果
• 3.6.4.3 结果分析
• 第四章 总结与展望
• 4.1 本文总结
• 4.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的文章