薄壁结构的加筋布局优化设计

采用拓扑优化方法研究了薄壁结构的加筋布局优化问题.考虑到航空航天领域薄壁加筋结构的大量使用与结构形式的复杂性,提出了一种适用于有限元自由网格剖分的加筋设计新方法--几何背景网格法.该方法一方面通过定义几何背景网格的大小,实现了加筋设计域内任意离散网格沿加筋高度方向的布局参数化定义;另一方面,通过背景网格曲线坐标系下的定义,实现了三维曲面薄壁壳结构的加筋布局设计.采用该方法分别对平面结构与曲面薄壁结构进行了以结构刚度最大为目标的加筋优化设计.数值结果表明,所提出的方法能有效获得合理的加筋布局.     

复合材料帽形加筋结构稳定性研究

建立了复合材料帽形加筋结构的参数化有限元模型,给出了两种进行层板结合处的模拟计算方法,通过计算得到了模型的屈曲载荷并总结了加筋结构几何参数对结构稳定性的影响,给出了模型的收敛性分析,对比了模型网格密度对于计算结果的影响,找到最佳的网格密度,提高了模型计算的效率和准确性,为实际的结构设计提供了重要参考,为结构分析提供了依据。     

薄壁结构的加筋布局优化设计

采用拓扑优化方法研究了薄壁结构的加筋布局优化问题。考虑到航空航天领域薄壁加筋结构的大量使用与结构形式的复杂性,提出了一种适用于有限元自由网格剖分的加筋设计新方法——几何背景网格法。该方法一方面通过定义几何背景网格的大小,实现了加筋设计域内任意离散网格沿加筋高度方向的布局参数化定义;另一方面,通过背景网格曲线坐标系下的定义,实现了三维曲面薄壁壳结构的加筋布局设计。采用该方法分别对平面结构与曲面薄壁结构进行了以结构刚度最大为目标的加筋优化设计。数值结果表明,所提出的方法能有效获得合理的加筋布局。     

复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计

为了充分利用复合材料加筋板的后屈曲承载能力,针对复合材料加筋板的后屈曲行为开展优化设计方法的研究具有重要意义。详细探讨了筋条尺寸及密度等参数对承受面内剪切载荷作用下的复合材料双向加筋板屈曲后屈曲的影响规律。建立了复合材料加筋板考虑后屈曲响应的结构分级优化方法:在一级优化中以结构几何尺寸为设计变量,使用响应面法(RSM)拟合出结构后屈曲响应的全局近似函数,结果显示,加筋缘条的宽度及加筋的密度对屈曲承载能力有重要影响;在二级优化中采用遗传算法(GA)对复合材料铺层顺序进行优化,经过两级优化后的复合材料加筋板相比于初始设计在质量减少了3%的同时,线性屈曲位移提高了8.86倍,线性屈曲模态由局部屈曲改善为整体屈曲,同时结构的后屈曲承载能力提高了8.7%。基于解决旅行商问题(TSP)的遗传算法被调整用于固定铺层厚度的复合材料铺层顺序优化问题,经优化,结构线性屈曲特征值提高了12.76%,表明了优化方法的可行性。     

复合材料主承力连接结构强度预测及影响因素

以复合材料机翼翼根后梁下缘条对接试件为研究对象,通过有限元手段分析其失效机理和破坏过程,并对极限强度进行预测.描述试件构型、实验方法和过程,给出螺栓建模方法和挤压/旁路耦合失效判定方法,分析对比试件的应变响应和各排螺栓的钉载分布.在非线性分析方面,探讨接触、几何非线性和钉孔非线性变形对预测结果的影响;在建模方法方面,研究螺栓刚度计算方法、螺栓建模方法、温度和网格密度等因素的影响规律.结果表明:材料非线性对计算结果的影响最为显著;采用CBUSH单元模拟螺栓并采用Huth公式计算螺栓刚度预测的极限载荷与实验结果最为接近;网格密度、温差等对计算结果的影响较小.研究结果可对复合材料连接结构的工程强度预测、校核提供算例和参考,并对各参数影响提供定量的概念.     

航空发动机燃烧室参数化设计

为解决现有燃烧室设计方法中人工介入多、计算周期长的缺点，以及现有参数化方法中存在的局限性，提出采用参数化 数值仿真方法，将燃烧室数值仿真过程中的几何参数、网格参数和边界条件等需要多次修改的参数改为变量并提取，编程实现了 从几何建模、网格生成到求解和后处理环节的完全自动化；基于燃烧室设计流程建立燃烧室的一体化设计平台，通过该平台初步 计算得到了一种带直叶片3级旋流器燃烧室的几何模型，并采用参数化方法对其几何结构进行优化，优化后的燃烧室出口温度分 布系数达到0.235，接近设计要求值0.2。结果表明：采用参数化数值仿真方法可以将燃烧室初步设计周期降为不足传统方法的1/10， 证明了该参数化数值仿真方法的有效性好，一体化设计平台的可靠性高。     

超大直径网格加筋筒壳快速屈曲分析方法

针对新一代重型运载火箭及大型飞机中存在的超大直径网格加筋壳结构,提出了一种快速屈曲分析方法。首先,基于渐进均匀化法的快速数值实现方法和瑞利-里兹法建立了快速屈曲分析框架,并通过与算例中等效刚度法屈曲载荷结果进行比较,验证了本文方法具有较高的预测精度。然后,对比了3种结构尺寸下网格加筋壳屈曲分析效率,结果表明本文方法不受结构尺寸影响,平均计算时间仅为6s,凸显了其用于超大直径结构分析的高效性。进而,基于本文方法对4种传统加筋构型及2种新型多级加筋构型进行屈曲载荷评估,其预测误差均在3.0%以内,表现出广泛的构型适用性。在此基础上,通过优化设计的方法对比了上述6种加筋构型的承载效率,优化结果表明本文提出的多级三角型加筋构型最具承载优势,相较于初始方案取得了82.2%的承载增幅,可作为一种新型超大直径网格加筋壳结构储备。     

含冲击损伤复合材料加筋层板压缩剩余强度

将复合材料加筋层板受低速冲击后的损伤区域描述为一个椭圆形弹性核,材料在核区的弹性模量下降由冲击表面的凹坑深度确定。利用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元来模拟含损伤区域,杆单元来模拟筋条,钉单元模拟铆钉（胶层）和常规8节点等参单元模拟其余无损区域,建立起含低速冲击损伤复合材料加筋层板的力学响应分析方法。利用基于特征曲线概念的点应力判据、最大正应力判据和最大剪应力判据分别预测蒙皮的破坏、筋条的破坏和铆钉（胶层）的破坏,从而预测加筋层板在压缩载荷下的剩余强度,获得了与试验相吻合的结果。最后讨论了损伤尺寸、损伤形态、铺层比例等参数对加筋层板剩余强度的影响。     

复合材料加筋壁板的两步优化法

通过采用辅助层压板和添加极小弹性模量材料的复合材料加筋壁板有限元建模方法,应用MSC．PAT－RAN／NASTRAN的参数化建模与遗传算法相结合的复合材料加筋壁板的两步优化方法,对复合材料T型加筋壁板进行了从2000 N／mm到6000 N／mm压缩载荷下的结构优化分析。提出的基于参数化模型和遗传算法的复合材料加筋壁板的两步优化法分为壁板级优化和层压板级优化两部分,在壁板级优化得到最优的结构尺寸参数,在层板级优化得到最优的层压板铺层顺序。     

考虑不确定性的复合材料加筋壁板后屈曲分析模型验证方法

复合材料加筋壁板在结构轻量化设计中，由于材料组分、几何尺寸具有不确定性，导致了壁板结构在服役条件下承载特性的不确定性。针对上述问题，提出了一种考虑参数不确定性的复合材料加筋壁板后屈曲模型验证方法。首先基于正交试验设计方法进行了不确定性参数的显著性分析，然后采用Kriging模型构建了能够表征后屈曲特性的代理模型，利用蒙特卡洛随机模拟获得加筋壁板后屈曲载荷概率分布，最后通过壁板结构在典型承载条件下的力学实验数据验证了分析模型的准确性。该分析方法对于壁板件在实际工程中的应用具有一定指导意义。     

航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能

航空复合材料加筋板由于具有良好的力学性能,广泛地应用于航空结构中。本工作研究了航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能,首先应用工程方法对复合材料加筋板进行压缩稳定性计算,得到加筋板的屈曲载荷和破坏载荷的预估值;其次,开展复合材料加筋板压缩稳定性实验,得到实验件的屈曲及破坏形式、实验件的载荷-应变及载荷-位移关系和实验件的屈曲载荷和破坏载荷。结果表明:采用工程方法得到的计算结果与实验结果较为吻合,屈曲载荷和破坏载荷的误差分别为6.12%和9.31%,合理应用工程方法可以为实验提供较好的指导;加筋板的破坏形式为壁板的分层、鼓包和撕裂、筋条的断裂以及筋条-壁板的脱粘;屈曲比为1.65的复合材料加筋板具有较强的后屈曲承载能力;工程中可充分应用加筋板的后屈曲承载能力提高结构的利用效率。     

基于缺陷敏感度的加筋短板承载能力

加筋短板以其高比强度成为飞机结构的基本元素,其设计方法是基于传统的Euler柱屈曲理论和Timoshenko板壳弹性稳定性理论,由于进行了假设和简化,不能很好地预测破坏载荷。采用GMNIA（Geometrically and Material Nonlinear Analysis with Imperfections）分析方法对加筋短板的承载能力进行仿真分析,结果与试验数据吻合良好。基于GMNIA方法开展了不同类型的几何缺陷对加筋短板承载能力敏感度分析,研究了初弯曲、初偏心以及初变形对加筋短板承载能力的影响。给出了表征加筋短板初弯曲和初变形缺陷的计算公式,为有限元模拟加筋短板破坏过程及预测承载能力提供了技术支持。此外,给出了初弯曲下加筋短板承载能力的设计许用值,提出了通过控制加工制造公差量来提高结构极限承载能力的设计建议,具有明确的工程应用意义和实用价值。     

基于压缩感知的金属加筋板兰姆波健康监测技术

针对大型复杂板结构安全评价需要，发展了一种基于压缩感知的金属加筋板结构兰姆波健康监测技术。利用压缩感知技术从稀疏阵列得到的少量检测数据中恢复出加筋板结构中兰姆波的频散特性，并提出了一种将余弦相似度和皮尔森相似度相结合的稀疏阵列兰姆波复合成像方法，以实现加筋板结构中大范围缺陷检测和成像。实验结果表明，压缩感知技术可以恢复出金属加筋板中兰姆波的频率-波数关系，提出的兰姆波复合成像方法能够实现金属加筋板中单缺陷和多缺陷的检测及定位。研究工作为复杂板结构损伤检测提供了一种可行的技术方案。     

整体壁板结构弹塑性弯曲中性层位置分析

中性层位置是壁板结构设计和分析及其弯曲成型工艺的重要参数,工程上将截面形心作为弹塑性弯曲中性层位置的方法存在很大误差。通过弹塑性分析,考虑了材料塑性强化效应,建立了一种便捷的计算整体壁板结构弹塑性弯曲中性层位置的方法,并和数值仿真结果进行了对比,分析结果表明:弹性弯曲时,中性层位于截面形心;而进入塑性弯曲阶段,中性层位置随着弯曲半径的减小向蒙皮方向显著移动;在整体壁板常用的相对弯曲半径下(ρ/t≥10),壁板的变薄可以忽略不计,应力中性层和应变中性层几乎重合。     

复合材料加筋板冲击后损伤容限研究

研究复合材料加筋板受冲击后的损伤演化具有较高的工程应用价值。首先,以某型无人机拟应用的复合材料加筋壁板(T300/BA9913)为研究对象,对其进行低速冲击试验;在壁板中央处和肋与壁板胶结处进行冲击,其冲击能量取6.67 J/mm,测量凹坑深度和分层损伤面积。然后,应用商业软件ABAQUS,编写相应的VUMAT子程序对冲击损伤进行模拟,软件中采用适宜的材料模型、单元种类并建立不同属性的接触,把基于应变的三维Hashin准则运用于复合材料单层板的损伤失效准则中去。最后,运用基于断裂韧度的连续的刚度退化方针对材料的刚度折减。将所建立的冲击模型的模拟结果与冲击试验数据进行对比,证明了冲击模型的有效性和准确性。     

机翼复合材料加筋壁板结构的优化设计

为了提高机翼复合材料加筋板结构的承载效率,把总体屈曲载荷、局部屈曲载荷和静载荷相等作为最优化设计准则,利用稳定性效率因子图和复合材料稳定性分析方法实现机翼复合材料加筋板结构的初步优化设计。利用编写的PCL二次开发程序进行参数化建模分析,可以较快地得出不同材料和载荷情况下的稳定性效率因子图。结果表明:通过稳定性效率因子图结合复合材料加筋板结构的稳定性分析方法,可以较快实现机翼加筋板结构的初步优化设计,所得结构具有相对较高的承载效率。     

加肋板结构中弹性波一维局部问题的研究

分析研究了失谐周期多跨加肋板结构中的弹性波一维局部化问题。采用传递矩阵方法给出了系统的传递矩阵 ,并采用 Wolf提出的计算连续型动力系统中 Lyapunov指数的方法 ,给出了局部化因子的计算表达式。作为算例 ,给出了失谐加肋板结构中局部化因子的数值结果 ,并分析了跨长的失谐程度及结构参数对弹性波局部化的影响     

几何非线性对整体壁板断裂参数的影响分析

基于有限元法和断裂力学理论,借助有限元软件ABAQUS计算了某整体壁板纵向裂纹的J积分。考虑了几何非线性,并与未考虑几何非线性所得结果进行了对比,对于不同的内压下以及不同蒙皮厚度情况下的结果进行了分析,结果表明几何非线性对机身壁板纵向裂纹裂尖J积分有明显的影响。     

加筋板壳结构初始后屈曲有限元分析

 本文将渐近屈曲理论应用于加筋板壳结构的总体初始后屈曲分析,在近似位能泛函中保留了更多的小项,并讨论了适当缩小大型结构计算区域的问题,给出了一个便于工程应用的小型有限元程序。