夹层复合材料圆柱壳表层的缠绕优化

以平衡型稳定网络为约束条件,以等强度和提高临界失稳载荷为设计目标,对夹层复合材料圆柱壳体的缠绕表层进行了优化研究。首先,基于等强度设计,得到表层的最优缠绕方式为螺旋加环型缠绕,且螺旋缠绕角应满足α≤54.7°;其次,以结构强度及稳定性为双重指标,采用ABAQUS建立有限元模型,求解不同长径比的夹层复合材料圆柱壳的最优螺旋缠绕角α_(opt)。研究发现:当长径比0.5≤η≤3时,随η增加,表层的最优缠绕方式从单一螺旋加环型缠绕过渡至纵向铺放加环向缠绕,且最大临界失稳载荷Pcr近似呈二次递减关系。该优化方法不仅可达到轻量化要求,而且满足结构强度和稳定性双重指标。     

复合材料加筋圆柱壳稳定性的非线性有限元分析

 本文应用全拉格朗日列式法,对具有纵、横向加筋的叠层圆柱壳进行了非线性有限元稳定性理论公式的推导及求解过程的探讨。文中应用Sander's壳体理论的几何非线性及横向剪切,推导了矩形壳元及与该壳元变形相协调的直梁元与曲梁元的刚度矩阵,编制了FORTRAN计算程序。计算了柱、曲拱、曲壳拱,碳纤维加筋圆柱壳均匀轴压下的前后屈曲。也可用于计算加筋筒壳的弯曲、压-弯及外压等情况。     

有缺陷圆柱壳振型进动的研究

谐振陀螺是一种不存在高速转子和活动支承的新型陀螺仪。其敏感部件是一个轴对称壳谐振子,圆柱壳便是其中一种。本文建立了圆柱壳在旋转情况下的动力学方程。研究了有缺陷的圆柱壳谐振子振型的进动情况;分析了其环向振型进动因子的相对扰动和绝对扰动;给出了圆柱壳谐振子环向缺陷对其振型进动特性的影响规律及实际加工,选择谐振子的准则。这些对于设计谐振陀螺有指导意义。     

面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计

为了提高运载火箭等航天装备结构的承载效率,实现航天薄壁筒壳结构的轻量化和精细化设计,以具有强缺陷敏感性的航天薄壁筒壳结构为研究对象,开展了面向缺陷容忍的加筋筒壳结构优化设计。通过在设计过程中考虑结构设计与临界失稳载荷和结构缺陷敏感性的耦合关系,同步提升结构的屈曲载荷和抗缺陷能力,实现筒壳结构的精细化和轻量化设计。并针对计及缺陷敏感性加筋筒壳单次分析耗时和优化效率低的问题,使用不完全折减刚度法（iRSM）,替代非线性显式后屈曲算法进行非完善筒壳结构的承载能力分析,提出了一种面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计框架。以一个直径1.6 m的正置正交网格加筋筒壳结构作为算例进行说明,结果显示,相比初始设计,优化结果可在质量不变的前提下,实现设计载荷提升10%以上,有效提高航天加筋筒壳结构的承载效率;并且所提出的优化设计框架能在保证稳定找到优化结果的同时,降低计算成本80%以上,实现面向缺陷容忍加筋筒壳结构的高效优化设计。     

金属圆柱壳谐振陀螺的静电激励方法研究

重点对静止状态谐振子的静电激励方法进行研究。理论上分析了采用单频激励和半频激励时由外加电压产生的静电驱动力之间的差别,根据理论分析结果,设计了不同的激励方法进行实验验证,并对实验结果进行了详细分析。     

时变转速下裂纹圆柱壳的参数振动稳定性分析

利用有限元方法建立周期时变转速影响下裂纹圆柱壳的有限元模型并且得到了系统的质量、刚度和阻尼矩阵.在对圆柱壳进行模态分析的基础上,利用Bolotin方法编制MATLAB程序进行周期时变转速影响下裂纹圆柱壳的参数振动稳定性分析,讨论裂纹长度C、模态阻尼比ξ、转速基值Ω₀、静载荷因子α和动载荷因子β对不稳定区域的影响规律.      

复合材料机身壁板屈曲优化设计

针对受压加筋曲壳的后屈曲特点,提出了一个后屈曲载荷的快速计算方法。用一部分有效蒙皮代替蒙皮失稳后的承载能力,利用欧拉失稳模型估算后屈曲失稳临界载荷。以外形参数给定的机身加筋壳结构为例,基于蒙皮局部失稳的简化模型,利用二次序列法优化求解结构的最佳布局。然后按照之前提出的后屈曲载荷的快速计算方法,设计筋条的截面刚度,最终得到最轻的机身结构质量。     

功能梯度圆柱壳的热应力与热传导分析

金属基陶瓷功能梯度材料特性随着厚度的变化而连续变化,且陶瓷散热快,金属强度高,有望用于飞机尾喷口的设计。本工作以功能梯度圆柱壳为对象,研究热流密度、陶瓷体积分数指数和热环境等参数对功能梯度圆柱壳热应力和热传导的影响。首先,建立功能梯度材料的热物理特性模型,探索各参数对材料热物理特性的影响规律;其次,建立功能梯度圆柱壳的热应力模型,探究不同条件下功能梯度圆柱壳热应力变化规律;最后,由能量守恒定律推导出圆柱壳的热传导方程,讨论陶瓷体积分数指数和热流密度对热传导的影响。结果表明,热流密度一定时,应力随陶瓷体积分数指数增加平缓,圆柱壳的外侧应力大于内侧应力;任意截面的温度随热流密度的增加而升高,且热流密度越大温度上升越明显。     

复合材料薄壁圆柱壳体的稳定性

 本文讨论了复合材料圆柱壳体稳定性的复杂性,总结了已经取得的研究成果,并与有关实验进行了比较。重点评述了几何非线性、物理非线性、初始缺陷、横向剪切效应和前屈曲变形状态等因素对失稳性能的影响。对今后的工作给出了建议。     

飞行器气动与隐身性能一体化优化设计方法研究

首先根据多学科综合优化设计理论 ,针对飞行器外形布局设计特点 ,开展飞行器气动与隐身性能综合优化设计方法研究。分别采用线化格林函数法与粘性修正相结合以及物理光学法与等效电流法相结合的方法 ,建立了飞行器气动力特性与隐身特性的计算方法。利用多学科优化设计理论和遗传优化算法 ,开展了关于飞行器气动与隐身性能的协同优化设计方法研究。取得了初步的研究结果。     

基于遗传算法的翼型多目标气动优化设计

采用遗传算法实现了单/多目标情况下NACA0012翼型的气动优化设计。绕翼型的外部无粘流场解采用基于非结构网格的显式时间推进Jameson有限体积方法。遗传算法采用二进制编码,通过外部调用流场解算器对种群适应度函数进行评估。为提高计算效率,使用了动弹网格技术以及使得优化程序可以从任一进化代继续计算的中间进化结果存储技术。优化参数为翼型气动型面,分别以给定来流条件下的升力系数、阻力系数作为优化目标进行了单目标优化设计,并以此为基础,结合博弈论中的Nash博弈,实现了升力系数和阻力系数的多目标优化设计,得到了优化结果。分析表明,该方法具有较高的计算效率,能够给出更优的翼型气动性能,具有一定的实际工程应用前景。     

飞行器隐身结构材料优化设计与分析

在飞行器隐身结构材料研究中,为达到宽、轻、薄等设计指标要求,通常需要对隐身结构材料进行有效的优化设计。本文基于一种电磁损耗型吸波结构材料的电磁参数的测量值,给出了反射系数与入射波频率和各层厚度、电磁参数的函数关系,构造了多目标优化函数,并用计算机模拟的方法对各层的厚度和整体材料的吸波性能进行了优化。     

强厚度叠层连续闭口圆柱壳的精确解

 引入δ—函数,对连续闭口圆柱壳建立状态方程。给出薄的、中厚的和强厚的叠层连续闭口圆柱壳统一的精确解。数值结果和ＳＡＰ５有限元解进行了对比。     

多级涡轮多目标气动优化设计流程

在准三维设计基础上,采用多目标优化设计方法,给出一个多级涡轮气动优化设计流程,优化联合采用人工神经网络和遗传算法,流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解。此优化设计流程有三个特点:针对每列叶栅的气动特性进行局部优化;各列叶栅反复多次优化;粗细网格交替使用。并采用此设计流程对一三级涡轮进行优化设计,效率提高1%,说明此方法可以有效的用于多级涡轮气动优化设计。     

旋转FGMs层合圆柱壳行波模态频率分析

为推进功能梯度（FGMs）材料在发动机、导弹和火箭等领域的应用,旨在研究旋转FGMs层合圆柱壳的行波模态频率。采用Voigt模型和Sigmoid体积分数描述FGMs层合圆柱壳的材料属性,考虑科里奥利力、离心惯性力、环向初应力以及热内力推导了FGMs层合圆柱壳的能量表达式。采用切比雪夫正交多项式构造位移容许函数,建立了任意边界旋转FGMs层合圆柱壳的模态频率方程,并探讨了组分含量、夹层厚度、温度梯度和弹簧刚度系数等对FGMs层合圆柱壳模态频率的影响。结果表明:夹层厚度相比Sigmoid体积分数对模态频率的变化更为敏感;高旋转短薄壁圆柱壳相比长薄壁圆柱壳对边界条件和失稳现象的影响更为敏感;轴向弹簧相比其他弹簧对模态频率的影响更大。      

高温环境下板壳结构局部屈曲理论研究

传统高温板壳结构的热屈曲分析方法,在解决热-机械载荷耦合作用下复杂板壳结构的屈曲问题时存在较大的局限性,合理的局部热屈曲理论分析方法有助于提高板壳热结构设计水平。因此,根据高温板壳的结构特征和力学特征,在"机械载荷等效成局部边界压应力效应"假设前提下,提出了四种典型的应力等效的局部热屈曲模型,基于初始后屈曲渐近分析理论,建立了一套有效的局部热屈曲理论分析方法。采用上述方法,研究了完善和具有初始缺陷板壳的弹性热后屈曲性态,具体分析了带预载的四边简支模型,带预载的四边固支模型,带预载的三边简支、一边自由模型以及带预载的三边固支、一边自由模型,给出了板壳长度尺寸、厚度等参数对热屈曲载荷的影响规律,并将其推广到高阶热屈曲问题中。分析结果表明:板体现为分叉式屈曲,壳体现为跳跃式屈曲;在长宽比一定的情况下,长度越长,屈曲临界载荷越小,厚度越厚,屈曲临界载荷越高。     

复合型雷达吸波材料结构优化设计的数值计算

基于多层复合型雷达吸波材料的设计要求构造了多目标优化的模型,将基本遗传算法(SGA)改进为自适应-混合遗传算法(MAHGA),通过数值计算为多层雷达吸波材料的结构优化提供了依据,依据计算结果制备了多层复合雷达吸波材料并进行了反射率和电磁参数测试实验,实验结果与计算结果吻合较好,复合材料具有良好的吸波性能,在8~18GHz低于-10dB的带宽可达7.8GHz,最大衰减量为-34.6dB,总厚度为3.5mm。     

含孔复合材料圆柱壳冲击破坏试验与有限元分析

 为了揭示轴向压缩载荷与径向冲击载荷共同作用下复合材料壳体开孔处裂纹的产生机理,开展了含圆孔复合材料圆柱壳冲击试验,并对冲击试验进行了有限元仿真分析。提出复杂冲击载荷作用下的动态响应分析方法,运用LS-DYNA对冲击载荷作用下含圆孔复合材料圆柱壳动态响应过程进行了模拟,采用含刚度退化的Chang-Chang失效准则预测复合材料圆柱壳破坏过程,得到的冲击加速度响应曲线及破坏区域与试验结果一致,验证了本文方法的正确性。对有限元模型进行动力学及静力学破坏分析,结果表明,径向冲击引起的环向拉应力是圆孔边缘破坏区域90°铺层纤维断裂与基体开裂的主要原因,而拉应力只引起0°铺层基体开裂。由破坏起始分析可知,将复合材料圆柱壳90°铺层含量由20%提高至50%,可使结构承载能力增加56%。     

推力室结构力学分析与优化设计

针对某液体火箭发动机推力室建立了参数化模型,使用有限元方法分析结构固有频率和振型,并进行了模态试验验证.采用最优拉丁超立方法进行计算机数值试验设计,得到了结构质量和1阶固有频率对于设计变量的敏感性,对于优化设计过程具有指导意义.使用NSGA-Ⅱ算法开展多目标优化设计,得到了同时满足静力学与动力学设计要求的推力室结构最优设计方案.最优设计方案的推力室质量减轻了9.1%,1阶固有频率值提高了22.6%,结果表明该方法能有效提高推力室的力学性能.      

遗传算法在雷达吸波涂层多目标优化设计中的应用

本文利用遗传算法实现了雷达吸波涂层的多目标优化设计.首先对目标函数进行合理设计,同时基于Pareto最优概念,采用非劣分层遗传算法(NSGA)进行多目标优化.对具体实例的优化结果表明,该方法利用共享函数和小生境技术,可以使优化结果均匀的收敛于Pareto域附近.同传统优化方法相比,该方法物理意义明确,对决策者来说更具科学性、针对性和实用价值.