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。     

结构-功能一体化异种复合材料壁板优化与验证

基于航空壁板结构承载-电气功能的一体化需求,对适用于智能蒙皮的异种复合材料壁板开展了优化设计与试验验证。通过在高模量碳纤维蒙皮的外侧增加玻璃纤维层,进行了以碳纤维-玻璃纤维-金属结构单元阵列-玻璃纤维复合顺序的壁板承载-电气功能一体化设计。针对异种复合材料结构的铺层优化需要考虑共胶接的分区域及铺层连续性的工艺要求,发展了基于丢层序列的优化方法,并对于加筋壁板的几何外形、筋条数量、筋条几何参数以及筋条与蒙皮的铺层角度进行了优化设计。通过压缩稳定性试验验证了该结构在承载能力和稳定性方面的收益,明晰了其压缩载荷下的屈曲模态及后屈曲失效机理。     

复合材料层合板考虑弯曲挠度和自振频率的优化设计

纤维复合材料层合板的刚度、稳定性及振动等问题都是设计中必须考虑的问题,国内外学者对“双向铺设”层合板考虑稳定、自振频率及弯曲挠度的铺层优化设计曾进行过研究,他们都是以各层板的铺设角为设计变量,然后用 Powell法或变尺度法逐次改变设计变量搜寻各层板的最优铺设角。我们对上述问题进一步进行了研究,论证了层板的拉伸-弯曲耦合刚度必定使层板的固有频率降低,使层板承受横向载荷的挠度增加,因而寻求提高固有频率或降低横向挠度的最优铺设层板必定是对称铺设结构。上述优化问题可以只对对称层板进行分析,进一步的分析还证明了上述优…     

静电陀螺仪长球形空心铍转子的优化设计

从圆球形空心铍转子分别受径向拉力和离心力的径向变形分析入手,利用径向拉力构造了两极直径大、赤道直径小的长球形空心铍转子,并应用误差独立作用与合成原理构建了受径向拉力和离心力的径向综合变形解析计算公式.根据综合变形解析计算公式,建立了长球形空心铍转子以径向综合变形最小化为目标和以赤道壁厚、极点壁厚、环境压力、工作转速为设计变量的优化数学模型.最后,给出了长球形空心铍转子优化设计示例.     

静电陀螺仪长球形空心铍转子的优化设计

从圆球形空心铍转子分别受径向拉力和离心力的径向变形分析入手,利用径向拉力构造了两极直径大、赤道直径小的长球形空心铍转子,并应用误差独立作用与合成原理构建了受径向拉力和离心力的径向综合变形解析计算公式。根据综合变形解析计算公式,建立了长球形空心铍转子以径向综合变形最小化为目标和以赤道壁厚、极点壁厚、环境压力、工作转速为设计变量的优化数学模型。最后,给出了长球形空心铍转子优化设计示例。     

层合复合材料自由角附近层间应力场的数值分析

对层合复合材料自由角附近的层间高应力问题,提出了一种三维有限差分法方案计算层合复合材料在变温下的自由角附近的应力场。对文中给出的[90°/0°]s对称铺层和Ni/Al层合复合材料及两个算例,有限差分方案的结果以前所提供的半解析解结果更接近三维有限元计算结果。同时对纤维任意铺设的碳纤维增强塑料的算例进行了计算,发现有限差分方案的结果也和三维有限元计算结果符合的很好。这种有限差分方案所得的解是稳定的、收敛的。文中还就所计算的例子的应力场和层间破坏之间的关系进行了讨论,发现层间剥离应力,即正应力可能是层间破坏的主要因素。     

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.     

纤维增强复合材料的可靠性分析

本文采用Monte Carlo模拟估算在概率情况下单向纤维复合材料的可靠度(或失效概率)。通过碳纤维加强复合材料单层板算例表明,应力与铺设角的变动将使可靠度降低,最佳铺设角也随作用应力的变动而变化。     

多层混杂复合材料飞轮力学设计与旋转试验

高速复合材料飞轮是飞轮储能技术的发展趋势,而纤维缠绕型飞轮径向强度低、易脱层。该文将多层层间混杂飞轮发展为多层层内混杂飞轮,在飞轮径向实现压应力,解决了径向脱层问题。基于混合律得到材料的弹性常数,建立单层和多层复合材料飞轮的力学方程,考察横向拉伸模量对应力与变形的影响。设计并制作了6层层间混杂飞轮,并基于频闪光源同步转子的变形光学测量方法完成了旋转变形测试。结果表明:混杂设计方法灵活可行,变形测试方法测量结果与理论值符合程度较高。     

多向编织碳纤维复合材料的断裂及微观形貌

多向编织碳纤维树脂基复合材料是航空、航天领域中的新型重要结构材料。为了研究这类材料的失效机理,在扫描电镜下进行了断口分析。研究了碳纤维与树脂及其界面在受力形变过程中裂纹形成与扩展的特性,探索了这类复合材料的损伤机理。结果表明： 编织参数对试件的力学性能有重要影响。随编织角减小,弹性模量和抗拉强度都明显增大,纤维与树脂间界面的粘结强度提高,脆性增大。在断裂过程中碳纤维多呈脆性断裂特征,断裂起源于纤维表面的薄弱处。     

不同模量比对复合材料储能飞轮强度的影响

以材料的环向与径向模量比λ作为参量,利用ANSYS有限元分析软件,对给定尺寸不同材料的单层及双层异构复合材料飞轮转子进行强度计算,得出飞轮转子在高速旋转时的径向和环向应力分布规律。进而利用强度比方程求解各种结构的强度比,分析材料参数对飞轮转子强度的影响。     

钻削工艺参数对碳/环氧复合材料孔质量的影响

由于碳纤维/环氧复合材料有许多优异的特点,为满足制造装配的需要,对这种材料的机械加工特别是孔的加工显得尤为重要。针对碳纤维复合材料在手工钻孔过程中出现的分层、撕裂、毛刺等加工缺陷,分析了影响碳纤维复合材料钻孔质量的钻削工艺参数,就轴向力、有无导向、不同的铺层角度三个影响因素进行进一步探索。采用单因子变量法进行对比实验,设计了实验方案,对实验数据进行分析和对比,获得了一些数据和结论,为手工钻孔质量的优化做好基础。     

机器人打磨碳纤维复合材料工艺研究

碳纤维复合材料由于其优越的性能正被广泛应用于工业领域,为提高打磨该材料的表面质量及改善打磨环境,在工业机器人基础上开发一自动打磨系统并对打磨工艺进行研究。基于被动柔顺装置(Pushcorp AFD71)设计机器人打磨末端执行器,相较于传统打磨工具,它具有恒力输出、力控制稳定简单、响应快等优点。重点研究了机器人自动打磨系统的集成以及利用该系统对碳纤维复合材料进行打磨实验,研究各参数(主轴转速、机器人移动速度、打磨正压力、倾角和砂纸粒度)对表面粗糙度的影响。最后通过碳纤维复合材料顶盖横梁的打磨应用验证了该机器人自动打磨系统的实用性和优越性。     

基于加点多目标粒子群算法的 碳纤维防撞梁优化设计

为了达到车辆轻量化的效果，基于某轻型乘用车钢制防撞梁，根据车辆低速碰撞 标准对采用碳纤维材料的防撞梁进行结构优化设计 . 通过全因子试验确定防撞梁的截面参 数，考虑到各铺层区域之间厚度不同导致的材料不连续问题，提出了基于铺层相容性的铺层 原则，并以此确定防撞梁的厚度空间和对应的铺层顺序 . 在对防撞梁的铺层厚度进行优化设 计时，采用基于 kriging模型的加点多目标粒子群优化算法，在传统粒子群算法的基础上引入 多目标加点策略，能够有效解决由于近似模型精度不够导致的重复试验设计，提高了优化效 率. 优化设计后的仿真和台车试验表明，碳纤维防撞梁低速碰撞性能满足要求.     

多层机织物增强结构的设计

纺织结构在纤维增强复合材料的成型中占有越来越重要的地位．增强纤维加工成纺织结构可以方便复合材料的加工,提高复合材料的韧性和损伤容限,使材料不宜分层．本文主要介绍了各层经纬密度不同的多层机织物的设计方法     

基于多材质复合管柱的裸眼井壁支撑工艺及应用

已完钻超深裸眼水平井侧钻技术是经济、高效开发油藏剩余油的主要手段之一，传统的磨铣钢套管开窗侧钻技术存在下入摩阻大、磨铣耗时长导致开窗失败等问题。为此，提出了基于多材质复合管柱的超深水平井裸眼井壁支撑工艺，结合中国西北油田已完钻超深裸眼水平井井况，首先，提出了基于“铝合金+碳钢”的多材质复合管柱组合及设计方法；其次，开展了基于管柱实物屈曲实验数据的管柱临界屈曲载荷计算模型适用性评价，并优选出了适合于“铝合金+碳钢”多材质复合管柱的屈曲临界载荷计算模型；最后，研究了综合考虑管柱扭矩、摩阻、刚性、井眼条件、管柱强度及材质的多材质复合管柱下入性分析方法，并利用下入性分析软件对西北油田顺北X1井、X2井、X3井、X4井复合管柱进行了下入可行性评价。该方法在X1井和X2井得到成功应用，进一步论证了该工艺现场应用的可行性。研究成果可为超深水平井裸眼井壁支撑的复合管柱设计和下入可行性评价提供理论参考。     

超细复合FDY纤维工艺技术探讨

文章探讨了以涤纶(PET)、水溶性涤纶(COPET)和锦纶(PA)为原料,利用双组份、双箱体复合纺设备,在4 500 m/min的纺速下生产单丝线密度dpf小于0.1 dtex的涤锦和海岛超细复合FDY纤维,其涉及的切片、纺丝、组件、冷却、卷绕等工艺条件和生产技术对纤维质量及后道开纤、染色效果的影响。结果表明,合适的工艺可保证生产的顺利进行和产品质量的稳定。     

中国高性能碳纤维产业的创新发展

 介绍了碳纤维产业在中国从无到有的发展历程。中国碳纤维在产业化过程中解决了装备不足、成本偏高、应用设计能力缺乏等问题。以光威集团为例，阐释了中国企业在中国碳纤维产业发展中的突出作用。中国碳纤维研制目前面临4个问题：产业化工艺与装备核心技术仍未本质突破；碳纤维研制及应用重大基础科学问题尚未探明；大部分应用领域缺乏复合材料设计-制造-评价-考核验证能力；人才规模有限、分布不均。基于此，提出了加强高端碳纤维及其复合材料系列化和自主创新等建议。