复合材料盒段结构优化设计实用技术研究

文中充分利用复合材料的可设计性,设计出满足结构刚度强度以及稳定性等性能指标要求且使结构重量更轻的飞行器结构。本文的重点是将梁单元结构的位置参数引入优化设计技术中,较传统的元件参数优化技术更具工程实用性,大大提高了优化工作效率,并由此而产生两个优化方案(区别在于梁元是否偏置)。通过两个优化方案的论证,偏置方案算例较好的数值优化结果充分证明了梁元偏置的有效性和工程设计的实用性,表明了在优化设计工作中对梁元进行偏置设计的优越性和必要性。论文工作对复合材料结构优化设计具有一定的工程参考价值。     

基于有限元分析的玻璃钢夹砂管优化设计

为了使玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管的设计更加安全、经济,本文探讨了在有限元分析基础上对该复合材料结构进行优化设计的理论和方法,运用ANSYS软件对某市政给排水工程中采用的玻璃钢夹砂顶管进行了结构优化设计分析,研究了影响该结构优化设计的主要因素,计算结果表明,按此优化设计方法进行设计可节省材料25.2%.     

飞行器复合材料全寿命结构健康监测技术

由于先进复合材料具有比强度和比刚度高、材料力学性能可设计、易于整体成型等优点,是轻质高效飞行器结构设计的最理想材料.以永久集成在结构表面或嵌入结构内的分布式传感器网络为基础的结构健康监测(SHM)技术是确定结构完整性的革命性创新技术,在复合材料结构的设计、制造、服役及维护的全寿命周期中发挥着重要的作用.本文简要综述国内外航空航天领域复合材料SHM技术的研究进展,探讨SHM系统在实际飞行器复合材料结构上得以有效应用的关键技术及其解决方案,同时展望飞行器复合材料SHM技术的发展趋势和方向.     

基于铺层参数的复合材料耐压壳协同优化设计

在给定的材料性能条件下,以耐压壳纤维体积分数和层合板厚度为设计变量,以结构质量最小为优化目标进行复合材料耐压壳的布局优化;以铺层参数作为优化变量,综合考虑结构的稳定性及其材料强度,实现了结构铺层方式的优化设计;通过协调各子系统优化结果,实现了适用于潜水器复合材料耐压壳结构/材料一体化的协同优化设计.结果表明:耐压壳结构质量较优化前的降幅为20.57%,临界失稳压力为30.78MPa,失效指数为0.675,优化结果达到预期效果.所提出的基于铺层参数的协同优化方法能够对复合材料耐压壳进行优化设计,解决了直接以铺层角作为设计变量的优化效率低的问题.     

骨架组合结构材料选择优化层合部件法

提出用于金属一复合材料骨架组合结构减振优化设计的层合部件法（1aminatecomponentmethod,LCM）。定义骨架结构中待设计杆件和梁为层合部件,杆件在有限元模型中必须用由待选材料构成的层合梁单元或层合板单元模拟,以避免弯曲振动模态丢失。结合结构拓扑优化SIMP（sotidisotropicmierostrueturewithpenaltymethod）法,建立了钢一复合材料组合骨架结构材料选择、拓扑与尺寸优化的综合数学模型,实现材料选择与拓扑优化设计变量的连续化。以桁架结构质量为目标函数,振级落差、加速度、位移和应力等为约束条件,给出金属一复合材料组合桁架结构减振优化设计实例。优化结果表明,LCM用于金属一复合材料组合骨架选材优化设计是可行的。     

基于HyperMesh二次开发的复合材料机翼结构优化设计

针对复合材料飞机机翼结构设计具有设计变量与约束条件多的特点,而使用手工方式建立优化模型不仅耗时费力而且容易出错且不利于机翼结构设计的修改和管理的状况,在飞机总体外形和骨架确定的条件下,给出了一种基于HyperMesh二次开发的飞机复合材料机翼结构优化设计方法,即:使用HyperMesh二次开发语言批量创建属性、优化设计变量、响应与约束,快速建立有限元模型及优化模型,从而提高了建模效率.通过提交optistruct优化计算,得出在该布局条件下机翼结构满足各项约束条件的最优尺寸和质量,最终实现机翼结构质量降低16. 6%,验证了使用HyperMesh二次开发完成飞机复合材料机翼结构优化设计的有效性和实用性.     

边界元分析中轴对称问题的计算方法

在结构形状优化设计中,建立了轴对称问题的边界元理论公式,与不带轴对称问题的边界元理论相比较,它优化了计算效率,且提高了设计效率,并将该理论公式与通用的优化设计算法相结合,建立了一种新的优化设计方法.用这种新算法对二维平面应力下的弹性体进行形状优化,获得满意的结果.     

考虑大变形的大展弦比机翼气动弹性优化设计

针对大展弦比机翼飞机自身特点,在结构大变形情况下,将弹性力学几何非线性理论引入到大柔性飞行器的气动弹性力学分析中,建立完整的几何非线性气动弹性分析方法框架。该方法主要包含两方面:结构非线性刚度和曲面气动力的计算。结合优化设计,为了提高优化设计效率,针对迭代过程进行有效简化。基于ISIGHT优化平台,发展一种适用于初步设计阶段大展弦比机翼在大变形情况下的气动弹性优化设计方法,有效地避免了结构大变形情况下线性气动弹性分析造成的设计偏差。为了摆脱对初始设计点的依赖,结合局部算法,采用组合优化策略,开展了大展弦比机翼的几何非线性气动弹性优化设计,首先应用蚁群算法定位目标极值在设计空间中所处的区域,再应用直接搜索算法对该区域精确寻优,获得更加准确的设计结果。     

长航时高燃油质量系数小型无人飞行器总体参数优化设计

针对长航时小型无人飞行器燃油消耗量大的特点,在指定航时并保证等高度等速度飞行的情况下,建立了活塞式螺旋桨发动机最小燃油消耗的数学模型;考虑几何外形及气动、结构、质量等之间的耦合关系,以飞行器初始质量最小为优化目标,基于多学科集成优化平台ModelCenter,利用遗传算法实现了飞行器总体参数的优化设计.算例结果表明,所建模型和采用的方法,对高燃油质量系数小型无人飞行器燃油计算及多学科设计优化有一定参考价值.     

基于拓扑优化方法的安静结构设计

以结构表面辐射声功率最小为设计目标,以材料体积密度为设计变量,采用拓扑优化方法,研究复合材料安静结构设计方法问题.将结构辐射声功率表示为一个正定的厄米特二次型,从而将目标函数的灵敏度转化为结构的动力学灵敏度和阻抗灵敏度2部分.提出了一种扩展SIMP模型用于复合材料弹性结构的拓扑优化设计.数值结果表明,结构表面辐射噪声得到明显降低,拓扑优化方法能够很好地用于安静结构设计.     

复合材料屋面板轻量化设计

将玻璃纤维复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)应用于建筑屋面板,为了降低造价和质量,对复合材料屋面板的铺层厚度进行优化.基于Optistruct求解器,采用数学规划法,结合屋面板设计需求,确定设计变量、约束条件和目标函数,建立屋面板优化模型.通过控制复合材料失效因子和板的屈曲因子,约束结构位移,以质量作为目标函数开展优化设计.分析优化前后板的力学性能可得:在满足屋面板刚度的要求下,实现了结构的轻量化.     

基于复形调优法的复合材料身管优化

通过结构优化设计可以获得重量轻刚度好的复合材料火炮身管。根据设计要求,建立复合材料身管结构优化模型,以各层材料厚度和复合材料层的缠绕角为优化设计变量,身管强度和重量为约束条件,身管刚度为优化目标。结合有限元计算模型和复形调优法,建立复合材料身管结构优化的求解框架,并进行了编程求解。优化算例表明,复合材料身管在满足强度和减重要求的条件下,一阶固有频率提高了12．14％。     

遗传算法在碳纤维复合材料高速转子优化设计中的应用

对多层结构碳纤维复合材料转子进行了高转速下的静力学分析，建立了多层嵌套结构碳纤维复合材料转子的强度与转子的材料密度、转速、纤维铺设角、各层径向壁厚以及各层间过盈配合量间的数学关系式。应用遗传算法进行了转子结构的优化设计，解决了多层结构碳纤维复合材料高速转子设计中如何寻求转子最优外形和工艺参数的难题。通过对转子各层的纤维铺设角、各层径向壁厚以及各层间过盈配合量进行优化，获得了转子的最佳几何外形和工艺参数，使转子的储能密度较优化设计前提高了136％，最大限度地提高了转子的储能能力。此优化设计方法为多层嵌套结构碳纤维复合材料转子的储能密度优化设计提供了有效手段。     

平纹机织复合材料纯电动汽车电池箱多尺度可靠性优化设计

为了充分发挥碳纤维复合材料的潜能，提出一种多尺度的复合材料结构可靠性优化设计方法。以平纹机织复合材料新能源汽车电池箱为研究对象，基于有限元法的均匀化理论预测方法，将机织复合材料各尺度之间的弹性参数进行关联，建立复合材料弹性性能预测解析模型和电池箱有限元模型。鉴于复合材料结构和设计变量受不确定性因素的影响，结合Kriging代理模型、SORA(stochastic optimal routing algorithm)法和蒙特卡洛仿真法，实现机织复合材料电池箱的多尺度可靠性优化设计。结果表明，优化后的电池箱在满足可靠性和轻量化要求的同时，能有效提高电池箱的模态频率和刚度，可为机织复合材料汽车零部件的优化设计提供指导。     

钢框架体系优化设计研究

钢框架体系的优化设计涉及优化设计理论的多方面知识。基于钢框架体系的设计要点和理论方法,总结归纳了结构优化设计的经典方法和现代方法,论述了钢框架体系优化设计的主要内容。     

三发矢量动力无舵面飞翼的技术验证

随着现代飞机设计技术的进步,传统的飞机布局和设计方法已经不能满足对飞机性能多样化的需求。而目前普遍飞行器的姿态控制都是依靠飞行器的舵面来完成的,但是传统舵面会带来隐身性降低、结构重量大、检修维护繁琐等诸多问题。为了提高控制飞行姿态的效率,该文在参考国内外飞翼布局飞行器的基础上设计并制作一款三发矢量动力无舵面飞翼验证机,验证飞行器的矢量动力装置代替飞行器舵面的能力。随着航空技术的发展,矢量推进技术越来越受到各个国家的重视,矢量技术可以提升飞机的机动性,抗失速性能,而无尾飞翼布局同样也受到航空界的广泛关注。该文将无尾飞翼布局与矢量推进技术相结合提出完全无舵面飞翼的设想,简化飞机结构,优化了整机的气动设计与结构架设。随着技术的发展,搭载了矢量动力系统的智能化飞行器将有一定前景。     

基于复杂约束拓扑优化的负泊松比超材料设计

针对现阶段超材料拓扑优化设计在飞行器设计领域存在的微观尺度上难以制造和宏观尺度上不具有周期性的问题，提出了一种宏观尺度下的超材料拓扑优化设计方法，分别应用优化准则法和移动渐近线法进行了指定泊松比约束的超材料拓扑优化设计，得到了在横向、纵向两个方向上的泊松比都满足约束的负泊松比超材料，并对两种优化算法的设计结果进行了对比分析.针对拓扑优化得到的胞元构型，建立了理论模型和有限元模型，对拓扑优化结果的力学性能进行验证.经理论模型和有限元模型计算，拓扑优化设计结果的泊松比满足设计要求，证明了宏观尺度拓扑优化方法设计负泊松比超材料的有效性.     

塑料挤出流动数值分析及其模具结构的设计优化

阐述挤出模设计理论、数值分析方法,以及塑料挤出成型和模具优化设计技术的国内外研究进展,指出其存在的主要问题和发展方向,认为把设计经验、数值模拟和最优化设计理论有机结合,是解决挤出模优化设计的有效途径.该领域中存在的不足是,流线型流道的三维参数化建模方面的方法大多存在着实用性不强,或者无法对型腔曲面进行参数化控制的缺点;三维参数化流道模型没有针对其功能特征进行划分,不利于进一步的优化设计.其发展方向是在实践中采用的一些技术改进措施,考虑模具结构各功能段之间的联合作用和相互影响,尽量减小模头内的横向流动,以及模具结构对挤出工艺、挤出材料的敏感性等.     

水下隧道结构优化设计

基于现代设计理论,研究水下隧道结构断面的优化设计问题.建立以隧道结构断面关键几何尺寸为设计变量,隧道结构造价最低为目标函数,隧道建筑限界、抗浮稳定以及隧道应力为约束条件的优化设计数学模型,采用ANSYS有限元优化软件进行寻优搜索,求得隧道结构断面尺寸的最优设计方案.优化设计方案与原设计方案相比,隧道结构断面面积减少了16%,应力分布更为均匀,变形显著减小,且满足抗浮稳定安全的要求,表明隧道结构优化设计方案经济合理、安全可靠.     

基于MATLAB的圆柱齿轮减速器优化设计

优化设计是将最优化理论和计算技术应用于设计领域,为工程设计提供一种重要的设计方法。在对圆柱齿轮减速器优化设计分析的基础上,建立了圆柱齿轮减速器的优化设计数学模型,选取了合理的设计变量,并且确定了合适的约束条件,采用遗传算法来求解该优化设计问题。利用遗传算法优化得到的优化解与罚函数优化得到的优化解进行对比,差别较小。优化结果表明,利用遗传算法进行工程结构中的优化设计,优化方法可靠有效,能够使实际设计效率得到明显的提高。