基于复合材料机翼刚度的铺层自由尺寸优化分析

复合材料层合板的优化设计对于提高飞机结构承载能力具有巨大的潜在意义,自由单元尺寸优化技术是对复杂的复合材料结构进行优化的有效方法。本文从复合材料机翼翼盒的翼尖刚度控制出发,对机翼壁板铺层进行了自由尺寸优化设计分析。研究表明：在给定的机翼翼尖变形约束下,自由单元尺寸优化方法能够快速准确地设计机翼翼盒的复合材料铺层比例和厚度,寻找到最优的主传力路径布置,以及获得最小重量目标。     

铺层对复合材料层合板力学性能影响的研究

为了研究不同铺层角和铺层厚度对复合材料层合板力学性能影响,通过转换复合材料刚度矩阵,得到复合材料层合板等效弹性常数,利用Matlab软件将计算复合材料层合板等效为计算等厚度各向异性板,研究不同铺层角对层合板力学性能影响;基于此等效方法,利用Fortran程序计算机翼剖面刚度,研究不同铺层厚度对层合板力学性能影响。结果表明:铺层角对复合材料层合板有较大影响,其中以45°铺层角作为最外层的层合板力学性能最佳,其次为90°和0°铺层角;随铺层厚度增加,机翼剖面的剪切刚度、弯曲刚度和扭转刚度几乎呈线性增大。研究成果为分析与设计飞机复合材料结构提供参考。     

复合材料厚板双轴非线性刚度特性分析

基于非线性本构关系与厚板理论,研究了一种采用增量步迭代法对复合材料厚层合板渐进失效过程进行双轴刚度特性分析的方法。以三维Hashin失效准则为单层板失效判据,当层合板中有一层或多层被检测到失效时,对失效层进行刚度折减,并在增量过程中不断更新刚度矩阵。采用有限元软件MSC.Patran自带的编程语言PCL,编写了计算程序。应用该程序分别对不同材料和不同铺层的层合板算例进行非线性刚度计算,给出了不同的铺层和材料组合下层合板在不同载荷比下的应力-应变曲线,展示了层合板渐进失效过程中应力-应变的变化关系,为复合材料厚板失效分析过程中的刚度变化提供理论与计算依据。     

复合材料层合板胶接补强结构的承载能力分析

在任意四边形四节点复合材料层合板壳单元的基础上，推导了相应的八节点胶单元，并采用蔡-希尔强度理论以及蔡氏刚度退化准则，对复合材料层合板胶接补强结构进行刚度分析和极限承载能力分析，编制了相应的有限元分析程序。通过算例，对不同的补强面积对结构挠度的影响，以及对复合材料层合板开孔处补强结构的破坏载荷进行了分析和讨论，得到了一些有益的结果。     

变刚度纤维曲线铺放复合材料层合板的有限元建模和拉伸特性分析

通过对变刚度铺放路径进行数学建模,得到变刚度复合材料层合板的拓扑构型,对复合材料层合 板内每个离散单元的每个铺层进行纤维角度和铺层厚度的独立设计。然后将拓扑构型数据导入有限元分析软 件GENESIS 中,实现层合板铺层信息的可视化显示和拉伸性能的分析,得出层合板的弹塑性本构关系。通过 仿真数据与实验测试数据进行对比,得出在所构建的变刚度复合材料层合板模型上进行拉伸实验仿真的准确 度可达95% 。该方法不仅可以可视化地展现出铺放过程中发生重叠的位置、整个复合材料层合板的厚度分布 以及每层上铺放角的分布,还可对其在弹塑性范围内的拉伸性能进行精确仿真。     

基于等效模型复合材料有效载荷承力结构优化设计

基于等效模型迭代优化对复合材料有效载荷承力结构——井字梁结构进行复合材料优化设计,此方法是基于单层板来模拟层合板的力学性能的想法。本文建立了反映井字梁结构的高精度有限元模型及其等效模型。并以结构质量为目标函数,刚度为约束条件,利用工程有限元分析软件Patran/Nastran对等效模型厚度进行优化设计,寻找出最优结构尺...     

基于Hashin准则的直升机复合材料波纹梁耐撞性分析

对低速冲击作用下直升机复合材料波纹梁的吸能能力进行数值模拟分析。在分析中摒弃了在已有分析中将层合板复合材料简化成理想弹塑性材料的假设,建立了考虑实际铺层结构的复合材料波纹梁的有限元分析模型。采用Hashin失效准则对层合板单元的损伤进行判断,并按照相应的损伤形式对单元刚度进行了相应的折减。基于ABAQUS软件编写了VUMAT材料子程序,实现层合板单元的损伤判定和失效单元的刚度折减。计算结果和试验结果的对比分析结果表明,有限元模拟与试验结果有着良好的一致性,验证了分析方法的有效性。     

基于三角剪切变形理论的对称层合板振动分析

根据三角剪切变形层合梁理论,推导出对称复合材料层合板的运动微分方程,利用逆复合二次径向基函数无网格配点法对运动微分方程进行离散,预测了对称复合材料层合板的自由振动特性。将不同材料参数、几何尺寸的层合板固有频率计算结果与相关文献中的结果进行对比,结果表明：用逆复合二次径向基函数离散的三角剪切变形理论在对称复合材料层合板自由振动分析方面具有一定的精度。     

复合材料层合板雷击烧蚀损伤模拟

 为解决复合材料层合板的雷击烧蚀问题,通过复合材料层合板雷电流烧蚀的热-电-结构耦合分析,建立复合材料层合板烧蚀的三维有限元模型。利用删除单元法模拟复合材料层合板在不同脉冲波形雷电流作用下的冲击响应,进行复合材料层合板雷击损伤机理和损伤模式分析,得出了复合材料层合板在不同脉冲波形和峰值雷电流作用下的瞬态热传递和热烧蚀规律。分析了不同雷电流参数对烧蚀结果的影响。结果表明峰值电流、放电量和比能对复合材料层合板的烧蚀尺寸和内部损伤产生很大的影响。     

基于二维抽样优化的复合材料超椭圆板与穿孔板振动优化设计

复合材料超椭圆板与穿孔板被广泛应用于工程结构中，控制其固有振动频率可有效避免共振。本文基于二维抽样优化算法（2DSO）优化了复合材料超椭圆板和穿孔矩形板的铺层序，以使其振动基频最大。2DSO由抽样优化和分层优化算法（LOA）组成，充分利用了层合板层压参数降维技术、弯曲刚度敏度及其线性叠加特性。在抽样优化阶段，先基于动态距离约束获得一个抽样优化解，然后基于该解通过LOA进行了铺层序优化直至获得最终优化铺层序。之后采用基于经典层合板理论的里兹法求解了复合材料层合板的振动基频，并利用2DSO优化了不同边界条件和长宽比的复合材料超椭圆板和穿孔板铺层序，优化结果表明二维抽样优化算法高效、稳定且具有良好的鲁棒性。     

飞机复合材料起落架舱门优化设计

蜂窝夹芯复合材料逐渐取代铝合金成为舱门的首选材料,其刚度设计及结构减重在飞机的结构设计中十分重要。通过参数化建模建立了蜂窝夹芯结构复合材料舱门的有限元模型,并进行起落架舱门的模拟计算。在打开和关闭两种工况下以刚度和强度为约束,优化舱门的几何结构和复合材料参数。建立代理模型后采用多岛遗传算法和序列二次规划相结合进行优化,实现了蜂窝夹芯结构复合材料舱门的优化设计。通过优化设计,所得到的舱门比原铝合金舱门具有更高的强度和刚度。优化后复合材料舱门重量比优化前下降了11.5%,比铝合金舱门减少了39.6%,起落架舱门总重量明显降低。同时,建立代理模型后再优化的方法优化效率高,解决了多优化变量下找不到最优解的问题。     

复合材料飞机结构低速风洞颤振模型的设计

金属飞机结构到复合材料结构的颤振模型设计,要求采用刚度等代法来完成,然而一般的设计方法通常需要消耗大量时间。为此,针对飞机结构有限元模型,提出一种基于设计元素的设计方法,对有限元模型进一步离散,以刚度为主要等代依据、工程设计和制造要求等为约束条件,完成金属结构到复合材料结构的等代设计。结合实验结果,验证了该设计方法的可行性与合理性。     

民用飞机复合材料舱门优化设计

复合材料因其具有比刚度大、比强度高、可设计性强等特点而被广泛应用到民用飞机结构上。针对宽体复合材料舱门设计方案，建立有限元模型进行初步分析，然后以刚度设计要求和强度设计要求为约束条件，对复合材料舱门结构的铺层比例进行了优化，达到了复合材料舱门的减重目的。优化后复合材料舱门的重量降低了10%以上，并且满足所有刚度和强度设计要求。本文所做研究为复合材料气密舱门减重提供了一种有效的方法，并且为类似结构的设计提出了参考建议，在工程上具有一定的指导意义。     

基于弹簧质量模型的复合材料螺接修理载荷传递计算方法

复合材料螺接修理具有操作简便,对连接件表面处理的要求不高,施工快速、性能可靠等优点,在复合材料的临时修理、尤其是战伤修理中应用较为广泛。然而其修理设计过程较为复杂,难以满足工程快速定参的需要。在螺接接头弹簧质量模型的基础上,针对蒙皮和补片等宽的情况,提出了一种复合材料螺接修理结构载荷传递比例计算方法。通过引入载荷按刚度分配的原则对模型进行修正,将模型进一步推广到蒙皮宽度大于补片宽度的情况。然后讨论了模型中不同弹簧刚度的计算方法。给出了采用细观力学方法以及均匀化方法等计算含损伤蒙皮等效刚度的计算方法,推导得到了规则排列多列螺栓连接中各排螺栓等效刚度的计算方法,并证明该刚度满足叠加原理。最后,以含圆形损伤孔的复合材料蒙皮板的螺接修理问题为例,对模型进行了考核,并与有限元法（FEM）预测结果进行了对比。结果表明：模型预测结果与有限元结果吻合较好,预测误差最大为7.7%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料螺接修理的分析设计。     

压缩载荷下复合材料加筋板屈曲参数研究

基于复合材料加筋板的双胞单元模型和势能最小原理,运用解析算法给出了简支条件下复合材料纵向加筋板临界屈曲载荷方程,对影响复合材料加筋板临界屈曲栽荷的主要参数：加筋板各项异性比,筋条的弯曲刚度,筋条间距和加筋板的长度进行了研究。解析算法和有限元方法给出了不同参数对复合材料加筋板屈曲载荷的影响水平。研究结果表明：针对不同筋条间距的复合材料加筋板筋条弯曲刚度存在一个阀值,当筋条高度大于阀值时,屈曲载荷不会随筋条弯曲刚度的增加而增加;给出的临界屈曲载荷方程可以方便的计算出压缩载荷下简支加筋板的屈曲载荷。     

复合材料开口结构参数化建模技术研究

基于MSC.Patran软件,运用PCL语言编写了参数化建模程序,实现了多种开口形式和加强形式的复合材料开口结构二维模型快速化、自动化建立。运用刚度等效原理将复合材料任意截面形式的筋条等效成各向同性矩形实心筋条,解决了目前有限元软件中没有提供复合材料一维梁单元的问题。结合复合材料开口结构刚度计算与优化设计实例,验证了建模方法的准确性与实用性。     

Optimal design of composite lattice shell structures for aerospace applications

An optimization method for composite lattice shell structures under axially compressive loads is proposed aiming at the preliminary design. The method implements and improves some previous results of the fully analytical approach which is currently adopted at the state-of-the-art. The fully analytical approach provides the minimum mass solution under buckling and strength constraints, irrespective of other possible design limitations, such as, shell stiffness constraints. As a consequence, the minimum mass solution turns out to be satisfactory whereas other requirements are absent or automatically achieved but, on the contrary, it can drive the final preliminary configuration far from the real optimum.The proposed method implements numerical minimization allowing the designer to easily handle suboptimal configurations which are located in the vicinity of the minimum mass solution. When stiffness requirement is present (as in most cases) the benefit of this approach – in terms of weight saving with respect to the analytical design – is finally shown with a practical example.     

高速流场中变刚度复合材料层合板颤振分析

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（T₀或T₁）的增大,颤振临界动压减小;相同动压下,随着T₀或T₁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。     

三维正交机织复合材料单胞特征单元及其应用

 基于三维正交机织复合材料，提出了一种特征单元均匀化分析方法。用“特征单元”来表示能够反映单胞的几何构造细节和材料构造细节的单元。首先用一般有限元方法对三维正交机织复合材料单胞进行分析得到总体刚度矩阵，利用该矩阵的特征向量建立了单胞的特征单元。通过比较特征单元的刚度矩阵元素和利用传统均匀化方法得到的刚度矩阵元素，说明了特征单元能够反应单胞的几何构造和材料构造细节。为了验证特征单元的有效性，分别用特征单元、传统均匀化方法和一般有限元方法计算了三维正交机织复合材料梁的固有频率，结果表明特征单元精度比传统均匀化方法高，而计算量比一般有限元方法大幅度降低。