纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

基于遗传算法的大展弦比复合材料机翼结构优化设计

结构减重是飞机设计的一个重要目标,采用复合材料代替金属材料以及对结构进行优化设计可以达到减重的效果。针对一个大展弦比复合材料机翼,采用遗传算法,通过Matlab调用Patran进行建模分析,以结构强度、刚度为约束条件,同时对翼梁位置和复合材料铺层进行优化设计;根据实际工艺要求建立复合材料铺层库,以解决复合材料铺层变量过多的问题。结果表明:本文提出的优化方法有效,对工程设计有较大的指导意义;复合材料铺层库在其他涉及复合材料铺层优化的问题中也具有广泛的应用前景。     

含中心圆孔复合材料层合板失效分析及强度预测研究

对复合材料结构进行开孔将会导致结构强度显著下降。以含中心圆孔的复合材料层合板为研究对象,根据ASTM D 5766标准对三种不同铺层比例的含中心圆孔复合材料层合板进行拉伸试验,研究不同铺层比例对复合材料开孔拉伸试验件的拉伸性能和失效模式的影响。基于连续介质损伤力学,分别采用最大应变失效准则和基于物理失效机制的三维非线性Puck失效准则预测纤维和基体损伤的起始,通过应变表征损伤演化,建立含中心圆孔复合材料层合板的三维有限元模型;并进行数值分析,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含中心圆孔复合材料层合板的拉伸强度和损伤扩展过程。     

复合材料风扇叶片铺层设计方法研究

为了设计航空发动机复合材料风扇叶片,根据相关准则,系统建立了复合材料风扇叶片的铺层结构设计流程,针对某自行设计的风扇叶片,完成了叶片的几何模型检测、体积填充铺层设计、铺层纤维方向的确定、铺层的分组与顺序调整,以及铺层的结构检查与可制造性检查。对铺层顺序调整前后沿叶高及弦长方向的铺层过渡进行了对比分析,完成了铺层的可制造性检查与改进。结果表明:铺层结构满足现有复合材料铺层设计准则要求,铺层的递减过渡合理,可制造性良好。     

复合材料数据转换接口开发

由于复合材料的各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质,复合材料结构的精确分析仿真已成为现代产品结构设计的迫切需求.基于CATIA和PATRAN二次开发,使复合材料结构模型相关数据精确地转换到有限元软件PATRAN中,将几何图形、铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在分析仿真中.     

轻型复合材料机翼铺层优化设计与分析

在给定全复合材料机翼结构几何外形尺寸条件下,以最高载荷/质量比(P/W)为目标,提出了一种复合材料机翼铺层优化设计与分析方法。主要进行了三方面优化工作:铺层厚度优化、铺层比例优化以及铺层顺序优化。首先,在初始结构方案的基础上,利用有限元分析软件ANSYS对复合材料层合板进行结构优化,得到了复合材料层合板铺层厚度与铺层比例。然后,插值拟合生成结构性能(即P/W)在设计区域的空间分布曲面,量化材料分布对结构性能的影响,得到了最佳材料分配比例,为分析复合材料铺层提供了新方法。最后,根据已经得到的铺层厚度和铺层比例方案,运用遗传算法对铺层顺序进行优化,得到最优铺层方案。根据最终优化的铺层设计方案,加工制造机翼样件并完成了试验验证。数值模拟结果与试验结果非常吻合,其中,破坏载荷的相对误差为-1.91%,结构刚度的相对误差为1.10%。与初始设计相比,载荷/质量比提高了70.23%(忽略翼梢小翼),证明本文优化工作的合理性与有效性。     

非对称铺层复合材料板室温形状的非线性有限元分析

由于一般铺层复合材料板壳存在拉伸-弯曲、拉伸-扭转等耦合效应,在温度变化时将出现垂直于中面方向的翘曲变形,给工程使用和理论分析带来了极大的不便。但另一方面,利用非对称铺层复合材料板壳可以有效地减轻结构的重量,并可能提供利用平面模具制造曲面层合壳的新工艺。     

碳纤维复合材料层压板低速冲击试验研究

为研究复合材料不同铺层结构的抗冲击性能,采用碳纤维预浸料制备了单向[0°]8和正交[0/90]2s铺层2种不同结构的碳纤维复合材料层压板,并使用Instron 9250落锤冲击测试仪测试其低速冲击性能,得到了载荷-时间曲线,分析了2种不同铺层方式的复合材料层压板的低速冲击加载力学性能,得到复合材料层压板的破坏形态来分析其破坏方式。结果表明:2种铺层方式产生了不同的破坏模式,正交[0/90]2s的复合材料层压板的抗低速冲击能力要优于单向[0°]8铺层的。     

基于Abaqus和modeFRONTIER的复合材料结构优化设计方法

复合材料结构优化设计包括几何尺寸、铺层层数和铺层顺序的优化设计,通常采用多级优化技术,将几何尺寸、铺层层数和铺层顺序逐级进行优化。本文使用一个十进制数字表示一个复合材料层合板的铺层顺序,作为铺层顺序的设计变量。将有限元软件Abaqus与优化软件modeFRONTIER集成,采用Python语言编写的铺层顺序的算法,对复合材料结构的几何尺寸、铺层层数和铺层顺序进行同步优化。     

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。     

多向混杂纤维复合材料拉伸行为的研究

本文采用工程上常用的铺层角，保持铺层角度序列不变，通过改变混杂方式对多向混杂复合材料在拉伸载荷作用下的力学行为进行了实验分析研究，并与单向混杂纤维复合材料力学行为进行了比较，为混杂纤维复合材料准确地进行选材和材料设计，为混杂复合材料更广泛运用提供了理论基础。     

民用飞机复合材料层压板铺层设计方法研究

在民用飞机复合材料应用中,关键技术领域包括选材、结构设计、强度分析、制件成型及装配工艺、结构修理、适航等。针对民用飞机复合材料层压板铺层设计方法展开研究,在结构初步设计阶段运用工程方法完成结构铺层设计和尺寸设计。     

基于CDM-CZM的复合材料补片补强参数分析

 复合材料开口补强设计参数的确定对于结构设计具有重要的意义。针对复合材料层合板开口区补片补强结构,采用各向异性材料连续介质损伤力学模型(CDM)对复合材料层合板的损伤演化进行描述,采用粘聚区模型(CZM)对补片与母板间界面材料的分层损伤进行模拟,建立了复合材料开口区补片补强结构三维非线性渐进损伤模型,模型可预测补强结构强度和损伤演化过程。应用本文模型分析了补片铺层方式、补片厚度和补片半径3个主要设计参数对补强效果的影响,明确了补片与母板间界面材料分层损伤破坏是导致补强结构最终失效的主要原因。     

基于屈曲稳定性的复合材料铺层库优化设计

为了得到能便于复合材料结构优化设计同时满足制造约束的复合材料层压板铺层库，本文提出一种基于屈曲稳定性的复合材料层压板铺层库设计方法。首先，独立设计铺层角度数量表，便于多种铺层比例的快速移植和交叉融合；其次，以四进制方式对铺层顺序编码，遍寻满足约束要求的铺层顺序，确定核心铺层组范围，设计稳定性综合评价指标，优化核心铺层组铺层顺序，基于核心层组边界向上和向下逐层扩展，合并得到整个设计空间的复合材料层压板铺层库；最后，分析层压板折算刚度系数推导结果，给出铺层库均匀性调整方法。与手动调试铺层库相比，通过本文方法设计的铺层库临界失稳应力普遍提高10%以上，均匀性调整后的临界失稳应力依然提高5%以上。     

考虑纤维实际取向和铺层拼接问题的有限元模型建立方法

针对受铺覆准则制约的复杂曲面复合材料结构铺层纤维取向变化和铺层切断及拼接问题,在ABAOUS层合模型分析的基础上,建立考虑铺层纤维实际取向和铺层拼接的有限元分析模型和算法,并采用VB编程语言开发实现.     

复合材料薄壁加筋抛物面天线仿真与优化

采用Patran/Nastran有限元软件对复合材料薄壁加筋抛物面天线进行了建模和仿真分析。重点分析了反射面铺层方式、加筋结构形式以及加强筋铺层对抛物面天线基频的影响。分析结果表明:采用[0/45/-45/90]s铺层形式的反射面基频最高;增加径向和环向筋可大幅提高天线基频,其中加筋结构采用[0/30/90/-30]s铺层可进一步提高天线基频。通过有限元分析确定了基频最佳的复合材料抛物面天线结构,为制备薄壁加筋抛物面天线提供了指导。     

考虑层间应力的厚复合材料结构多级优化设计方法

充分发挥复合材料的利用率,降低结构重量,厚复合材料结构优化设计是非常重要的。然而优化设计空间复杂,层间应力问题突出,离散设计变量等问题使得厚复合材料结构的优化变得十分困难。针对由铺层相同的子层板叠成的厚复合材料层合板结构的复杂优化问题,本文提出一种多级优化设计方法。第一级优化采用基于径向基神经网络代理模型的优化设计方法,设计变量为子层内层数及铺层比例;第二级优化分为两个层次进行,系统层以结构重量最轻为目标,设计变量为子层数,子系统层采用遗传算法优化铺层顺序,以层间应力因子最小为目标。结合算例,通过Matlab编写遗传算法,并应用Isight集成Matlab来实现该优化设计方法。结果表明:本文提出的多级优化设计方法是有效的,能够很好地实现具有周期性铺层方式的厚复合材料层合板结构的优化设计。     

全封闭中空异型薄壁复合材料结构成型

以某航天器复合材料一体化摇臂为实例,针对其全封闭、非线性、变截面、变壁厚、细长中空的薄壁结构进行成型工艺方案研究。通过以可溶性芯模为铺层芯模,解决了铺层和脱模问题;选用气囊加压方式,解决了加压和成型问题。结果表明：经过4次-65～60 ℃的高低温循环试验,摇臂结构内部无分层、裂纹等缺陷产生;制备的复合材料摇臂顺利通过鉴定级力学试验,力学性能满足设计要求。采用气囊加压和可溶性芯模相结合的工艺方案,实现了低成本、短周期制备航天器复合材料主承力构件的目标,对类似的全封闭异型复合材料结构的研制具有一定借鉴意义。     

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。     

铺层比例对层合板连接结构损伤特性影响分析

复合材料螺栓连接结构,其铺层比例、铺层顺序对整体结构连接效率具有重要影响.基于ABAQUS有限元软件平台,对其进行二次开发定义材料损伤退化方法,建立三维渐进损伤模型对不同铺层比例复合材料层合板螺栓连接结构的损伤扩展及破坏特性进行数值模拟分析,计算结果与验证试验结果吻合较好.分析仿真与试验结果表明:对于CCF300/BA9916Ⅱ型复合材料层合板螺栓连接结构,铺层比例对结构连接效率有重要影响,合理确定±45°层比例可以显著提高孔边应力集中区的抗挤压和抗剪切能力,有效改善连接结构的破坏模式;在±45°层比例增加到50％之后,复合材料层合板螺栓连接结构的连接强度将不再显著提高.