纤维增强树脂基复合材料结构的优化设计

综述了国内外纤维增强树脂基复合材料结构优化设计的研究成果与发展状况,内容涉及到层合板壳结构以及夹层结构的屈曲、振动、可靠性、结构强度以及多级多目标等问题的优化设计。文中还涉及到发动机复合材料构件优化方面的一些研究成果,给出了其优化设计的网络框图。论文最后对复合材料结构优化设计当前存在的主要问题和今后发展方向作了分析,并指出今后的研究方向：（１）多级多目标多学科的优化设计,不仅涉及到基本理论、建模和方法,而且更加强调工程实际问题;（２）发展相应的软件专家系统,更加强调软件面向对象编程和 Ｃ Ａ Ｄ 技术的应用;（３）注重探究快速有效的优化算法以及探究随机优化和可靠性优化技术,从而快速有效地获得对优化设计点的可靠评价等。     

复合材料缠绕接头几种受力状态的解析分析

针对复合材料缠绕接头,利用Airy 应力函数,推导出与其相关的缠绕圆筒受内外压力的应力解析表达式,进而对缠绕圆拱形梁受弯矩以及受均匀拉伸载荷、不同材质复合材料多层缠绕圆筒承受内外压力的应力分析方法进行了研究。文中讨论了接头内圆弧处应力集中系数随外/内径比值和环向/径向弹性模量比值的增加情况,并对复合材料缠绕接头的两种增强方法,即施加预应力或混杂材质缠绕进行了探讨     

1/3含口盖复合材料柱壳后屈曲性能

工程结构中复合材料柱壳已经得到了广泛使用,并且屈曲是其结构设计的一个主要问题。由于试验结果与线性屈曲理论分析结果的巨大偏差,线性特征值屈曲分析只能作为结构的一个初步评估方法,进一步分析可选用含初始几何缺陷的后屈曲分析。本文以轴压载荷下的1/3含口盖复合材料柱壳为研究对象,建立ABAQUS有限元模型,分别进行了基于Buckle算法的线性特征值屈曲分析、基于Riks法的含初始几何缺陷的非线性后屈曲分析,所得应变、载荷数值结果与试验结果吻合。非线性Riks后屈曲分析显示结构具有后屈曲承载能力和稳定的后屈曲平衡路径,能更准确地捕捉临界屈曲载荷,所得屈曲模态也更加贴近试验屈曲模态,因此,在设计上以含初始几何缺陷的Riks法得到的结果更加真实可靠。进行了含口盖复合材料柱壳的初始几何缺陷的敏感性分析,结果表明该结构对初始几何缺陷是非常敏感的,为了提高结构抗屈曲性能,应提高加工工艺质量,减少初始几何缺陷。     

碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究

为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响,通过应变率修正式对复合材料的刚度与强度进行修正,建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型,采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明:本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征,并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度;对于0°、90°铺层主导的试件,由于其力学性能近似为线性,数值模型在强度预测方面获得了较高精度;而对于±45°铺层主导试件,其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性,因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。     

一种简单有效的层合板壳单元

本文通过修正普通四边形单元的横向剪切应变能而得到了一种新的四边形四节点壳单元(本文称之为L_3单元)。该单元每个节点有五个自由度,适用于各向同性、正交异性和层合板壳的线性、非线性及稳定性有限元分析。文中给出了各种类型板壳结构的算例。数值结果表明,该单元不仅公式简单、自由度少,而且具有令人满意的精度和收敛特性。     

用杂交元分析层合板壳热弹性

本文基于Hellinger-Reissner变分原理,导出了适用于层合板壳热弹性分析的应力杂交元模型,单元有较少的应力参数和坐标不变性。此外,为了考虑横向剪切变形的影响,本文又在Reissner-Mindlin型假设的基础上,提出了分段直线假设,即将层合板壳沿厚度方向分成若干段,每段包含有若干层,然后作若干段直线假设。这样处理既提高了精度,又不过多地增加计算工作量。数值结果表明,本单元性能是好的,分段直线假设是有效的。     

深空合作目标高概率捕获复合扫描策略研究

针对深空目标长距离星间激光通信时间滞后大、光轴抖动明显、不确定区域大的问题,设计了一种基于两级执行机构的抗抖动高概率捕获复合扫描策略。将目标位置不确定区域划分为等大正方形子区域,在子区域内采用光栅扫描,通过快摆镜实现;在子区域间按照光栅螺旋扫描顺序覆盖,通过伺服转台实现子区域间的跳转。然后在考虑光轴抖动的情况下基于遗传算法对子区域大小、扫描光斑重叠大小进行了优化,得到了参数优化后的扫描方案,并通过仿真进行了验证。1000次蒙特卡洛打靶结果表明,在目标位置不确定区域3.6mrad、激光束散角0.1mrad、光轴抖动标准差5μrad的情况下,优化后的扫描方案对目标的捕获概率为99.2%,对不确定区域的扫描时间为41.34s,扫描到目标的平均扫描时间为9.62s。     

一种基于承载效率准则的复合材料机翼结构布局优化方法(英文)

提出一种针对大型复合材料机翼结构的二级布局优化策略。系统级根据结构形变调整设计指标,子系统级优化结构布局以满足系统级约束。将机翼壁板中各种临界失效载荷的接近程度作为评判结构效率的标准,通过将结构效率作为优化目标,保证了所求解问题的连续性。加筋壁板通过等效的正交异性板模拟,并根据能量原理预测总体失稳载荷。讨论了加强筋支持弹性对于蒙皮抵抗局部失稳性能的影响,并通过神经网络代理模型对其进行逼近。采用解析模型对失效特性做出评估,减少了计算资源的占用。最后以一种大型机翼结构的综合优化作为算例,计算结果满足设计要求,验证了该方法的可行性。     

模态法辨识针刺C/ C 复合材料弹性模量

针对传统方法测量C/ C 复合材料弹性模量精度差问题,提出了一种利用模态试验辨识材料弹性 模量的新方法。数值仿真结果表明板件材料振动频率与弹性模量之间存在模糊对应关系,利用此关系采用二 分法及二阶响应面近似模型对材料弹性模量进行辨识,并分别利用各向同性薄壁板件及正交各向异性薄壁板 件对此方法进行验证,计算结果误差最大为16. 67%,最小仅为0. 5%,表明该方法准确有效。最后将其应用于 针刺C/ C 复合材料,获得了其弹性模量。仿真及试验结果均表明该方法无损、高效且准确度高。     

基于ARLEQUIN方法的复合材料螺栓连接失效模拟

将ARLEQUIN方法应用于螺栓连接件的挤压失效模拟中,将连接件层合板分为孔边局部损伤区、无损伤区和过渡区。局部损伤区精细化划分网格,无损伤区采用粗网格划分,过渡区通用ARLEQUIN方法将损伤区和无损伤区进行耦合。采用用户自定义单元在ABAQUS中引入ARLEQUIN方法,实现了基于ARLEQUIN方法的复合材料螺栓连接的三维有限元失效模拟。建立了传统有限元模型和ARLEQUIN模型,并与试验结果进行了对比,表明在保证与传统有限元模型相同计算精度的情况下,采用ARLEQUIN方法进行复合材料螺栓连接失效模拟大大降低了计算资源,具有更高的效率。