竞赛机翼结构的优化设计与验证

要使复合材料轻质高强的优势得到充分发挥,在给定设计条件下开展复合材料结构的优化设计研究是十分必要的。以SAMPE超轻复合材料竞赛机翼为研究对象,根据给定的外形及工况,基于Hyperworks软件的Opti Struct分析和优化模块,对机翼的结构形式、铺层位置、铺层方向、铺层厚度等进行了优化设计,结合实际制造时的工艺性等,确定出了一款复合材料模型机翼的优化设计方案。基于该优化设计方案开展了模型机翼的制备与试验研究工作,并根据试验结果进行了进一步的改进,最终得到了该赛事组织以来满足承载及变形要求的最轻的一个机翼。     

某电磁弹射无人机复合材料机翼结构优化设计与分析

无人机已经成为航空领域重要成员之一。在无人机初步设计阶段,为减轻其结构重量,采用复合材料设计。复合材料在比强度和比刚度以及抗振和加工制造等方面优于其他传统材料,在无人机结构中得到了广泛的应用。由于复合材料层合板在生产加工过程中具有可设计性,在复合材料中已经成为使用最多的一种结构形式。以某型号电磁弹射无人机机翼为研究对象,建立了复合材料机翼结构的有限元模型,将机翼的结构重量作为优化目标,以机翼翼尖挠度和复合材料失效因子为约束条件,应用工程优化软件对复合材料翼面结构进行自由尺寸优化,整个优化过程需同时满足机翼强度及刚度要求。最终自由尺寸优化结果表明,复合材料的铺层比例和厚度分布在优化后得到了重新设计,比较之前的结构方案,优化后的铺层设计能够有效降低机翼结构质量,实现减重的优化目标。     

基于Optistruct的碳纤维复合材料包装箱结构优化设计

本文基于Optistruct结构优化技术,采用碳纤维复合材料进行了某特种包装箱的结构设计。结合包装箱结构设计的技术指标要求,提出了多阶段的优化设计方法。多阶段优化设计包括形貌优化、尺寸优化和铺层优化。在箱体的概念设计阶段,通过形貌优化获得了满足箱体刚度的加筋结构;针对基于铺层的碳纤维复合材料的可设计性能,在箱体的细节设计阶段,通过尺寸优化和铺层优化分别获得了复合材料各个铺层角度的最佳铺层厚度尺寸和复合材料箱体的最佳铺层方式。最终,通过有限元数值分析验算,结构设计的结果满足设计要求。     

复合材料无人机机翼布局的二级优化方法

为减轻复合材料无人机机翼的结构质量,利用MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN建立大展弦比机翼结构布局优化设计的二级优化方法:第一级以机翼的刚度为目标,采用响应面法对翼梁位置进行优化;第二级以机翼结构质量为目标函数,采用遗传算法对机翼各元件的铺层参数进行优化。通过对某型大展弦比无人机机翼进行结构布局优化设计,结果表明提出的大展弦比无人机机翼二级优化方法能够在满足强度、刚度性能设计要求的前提下,减轻约25%的结构质量,减重效果明显。     

某无人机复合材料主翼盒准等强度设计与有限元分析

以某无人机复合材料主翼盒准等强度设计与优化为目标,研究了主翼盒基于载荷分段的包络设计方法与铺层优化方法。采用等步长载荷包络设计方法计算了准等强度翼盒前梁的分布载荷,给出了前、后梁的初步铺层设计。建立了主翼盒的有限元模型,基于有限元分析结果校核了主翼盒的强度、刚度和稳定性。给出了主翼盒前、后梁以及蒙皮的铺层优化方案。研究结果表明,等步长载荷包络设计方法能够方便地计算主翼盒前、后梁的分段载荷;基于经典层合板理论对主翼盒进行铺层的初步设计,并运用有限元软件进行分析与校核,可以快速、有效地完成主翼盒铺层的分段优化设计;大展弦比机翼受最大正过载时,翼根上表面受压缩载荷,前梁上缘条和上蒙皮易发生局部屈曲失稳;减少主翼盒前、后梁下缘条以及下蒙皮铺层数目,可使结构减重达5.23%。     

基于刚度约束的飞机复合材料货舱门优化设计

民用飞机在飞行过程中,舱门要承受很大的压差载荷。随着轻量化要求的日益严格,复合材料舱门逐渐成为一种趋势,而舱门在设计中除了满足强度要求外还必须满足刚度要求。为了研究复合材料在舱门上应用的减重潜力,完善了舱门刚度约束条件,包括最大变形量、波纹度、阶差、间隙等多种刚度要求,在此基础上按照强度及铺层比例等要求,提出了一种考虑多种刚度约束的复合材料舱门优化设计方法。以飞机前货舱门为例,以刚度、强度及铺层比例为约束条件,应用NASTRAN进行了蒙皮、横梁和纵梁的铺层优化,实现了复合材料前货舱门的轻量化设计。结果表明前货舱门采用复合材料并经过优化分析后结构重量降低了24.30%,具有很大的减重潜力,研究结果为复合材料在飞机货舱门上的应用提供了一定参考。     

某型无人机机翼复合材料大梁迭代设计方法与有限元强度验证

根据工字梁腹板及缘条受力特点,计算了某型无人机机翼大梁在均布升力作用下腹板和缘条的内力。基于经典层合板理论和最大应力强度准则,采用Matlab软件编程,运用迭代法设计了机翼工字形层合结构大梁的铺层结构。建立了复合材料层合结构大梁的有限元模型,基于最大应力强度准则对大梁结构进行有限元强度校核,给出了各层的安全裕度。分析结果表明,基于经典层合板理论的迭代设计方法能够在有限次迭代后设计出符合要求的复合材料层合结构翼梁,层合结构翼梁各铺层安全裕度均大于0.5,该工字梁结构强度符合设计要求。     

复合材料机身壁板连接分析及轻量化设计

对复合材料机身壁板的单钉连接、多钉连接和胶接三种形式进行结构损伤分析,基于Hashin准则对基体和纤维的起始损伤进行判定,分析了纵向拉伸载荷下的失效模式。采用Optistruct对机身壁板进行了轻量化设计,在满足力学性能和制造工艺的要求下,对复合材料进行非均匀铺层优化,通过自由尺寸优化确定铺层数量,尺寸优化确定铺层厚度,优化铺层顺序获取最优材料性能,实现减轻结构重量的目标。通过优化设计,机身结构在满足强度、刚度和制造工艺要求的前提下重量得到大幅降低。     

基于启发式知识和自适用遗传算法的复合材料铺层优化设计

一般针对复合材料层合板铺层优化设计的研究多侧重于算法的研究,没有考虑到铺层知识对铺层的约束.本文建立了基于启发式知识和自适应遗传算法的复合材料层合板铺层优化模型,采用带置信度的IF-THEN模糊表达方式表达层合板铺层启发式知识,以蔡-希尔(Tsai-Hill)强度准则建立自适用遗传算法的适应度函数,在原有约束的基础上增加了铺层启发式知识约束.算例应用上述模型求解层合板的最佳铺层顺序,并将该结果和没有应用铺层知识约束的优化结果进行比较,证明了该模型的优越性和实用性.     

基于T700碳纤维复合材料的箱体结构优化设计

为得到深海工况下轻质高强度复合材料箱体设计方案,运用有限元软件ABAQUS,基于最大应力准则使用FORTRAN语言编写用户材料子程序(UMAT),建立了1 MPa压力下T700碳纤维复合材料箱体的强度仿真模型。通过对箱体的加强筋设计、外形设计和铺层结构设计,以及使用分级递进优化设计方法对其结构进行优化,最终得到了轻质化高强度的压力下箱体设计方案。优化仿真分析结果表明:复合材料箱体采用井字框加强筋和圆角过渡外形设计时,能够有效增加结构强度,减少箱体质量。     

超轻复合材料机翼结构设计及成型技术研究

在给定外形与尺寸的机翼设计要求下,进行了机翼结构设计、工艺设计、产品制造及力学性能实验研究。采用有限元分析软件,对复合材料机翼进行静力学分析,提取了主承力结构,设计了内部骨架结构。提出了"工字梁+薄蒙皮+变厚度"的结构方案,并通过碳纤维复合材料铺层设计和聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫设计,实现机翼内部的结构制造。研究了复杂外形零件模具的设计思路,设计了中央翼盒和机翼双模具。采用模压+共胶接成型工艺方法,设计了机翼成型工艺流程。通过这种方法成功制造了机翼,并进行了力学性能测试。最终制备的机翼表面质量和外形尺寸满足要求,实现了重量轻、载荷比重大的机翼设计与制造。证明了本文结构设计及成型方法的合理性与有效性。     

基于刚柔耦合动力学仿真的起落架舱门优化

针对复合材料起落架舱门的优化设计问题,建立了一种基于刚柔耦合动力学仿真的复合材料结构优化方法。使用C-B部件模态综合法建立复合材料起落架舱门的刚柔耦合运动模型,仿真计算得到起落架舱门的动态响应,使用正交试验的方法选取训练样本,训练BP神经网络,得到复合材料舱门铺层厚度与运动响应之间的神经网络响应面,以舱门铺层厚度为优化变量,以舱门运动变形为约束,以舱门接头载荷最小和舱门重量最轻为目标,使用遗传算法对神经网络响应面进行优化。优化结果表明:提出的基于刚柔耦合动力学仿真的复合材料结构优化方法能够准确考虑起落架舱门运动过程中的结构变形和载荷,实现复合材料起落架舱门全运动行程内的最优设计。     

复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性影响研究

为了减轻重量和提高升阻比,现代飞行器结构普遍采用大展弦比布局,并且轻质复合材料在飞行器结构中的使用占比也越来越高。为了研究复合材料铺层角度对大展弦比机翼纵向气动特性及非线性气动弹性的影响,首先以机翼结构的弹性变形为优化目标,以结构强度为约束条件,采用Screening方法对大展弦比复合材料机翼蒙皮的铺层角度进行优化,优化后机翼的刚度明显增强。然后基于松耦合的双向流固耦合数值计算方法,对大展弦比机翼非线性气动弹性及流场进行优化前后的数值模拟,分析了复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性变形及纵向气动特性的影响。     

基于HAJIF系统的汽车复合材料防撞梁设计

复合材料具有比强度和比刚度高、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性,将其用于汽车结构上,可比常规的金属结构减重25%～30%,并可明显提高车辆性能。与金属结构相比,汽车复合材料A柱、侧围、地板等零部件结构设计过程中强度、刚度及稳定性因素复杂,尤其在复合材料铺层缺乏工程经验时,设计周期较长、设计结果很难快速应用到工程中。针对上述问题,以自主结构CAE软件HAJIF系统为基础,联合其工程材料数据库、强度模型数据库,考虑设计过程中强度、刚度及铺层工艺性等因素,构建了较为完备的汽车复合材料结构分析流程,开发形成了汽车复合材料结构专用分析软件。应用开发的软件,完成了车身复合材料防撞梁的设计及分析。零部件结构性能仿真分析精度与通用商业软件基本相当,研究成果及开发的软件为复合材料结构设计及分析提供了技术及工具基础。     

基于遗传算法的层压板强度优化设计

本文的主要目的是研究遗传算法的优化机理并将遗传算法应用到复合材料层压板铺层的优化设计中。在深入理解力学原理,熟悉掌握数值计算方法的基础上对层压板进行强度优化设计。因此,在深入研究单层复合材料以及叠层复合材料的弹性特征理论基础和改进的遗传算法优化理论之后,针对复合材料层压结构遗传算法优化设计中层压结构参数具有离散型的特点,提出了适合复合材料层压结构遗传算法优化设计的整数编码策略,以整数来表征层压结构参数,这种编码方式简单直观、使用方便、易于进行遗传算法的交叉及变异操作。在分析层压结构强度的基础上,针对结构强度优化的目标构造了可用于遗传算法的适应度函数。同时参考了一定的铺层规则,在铺层角度限制为工程中常用的四种角度的前提下,应用遗传算法对层压板进行了铺层优化设计。设计结果表明,由于遗传算法特有的处理离散型问题的优势,在层压板铺层的优化设计中应用遗传算法是可行和可信的。     

复合材料机载天线罩多学科优化设计

提出一种复合材料机载天线罩多学科优化策略。以满足天线罩透波率为要求,基于等效传输线理论,对天线罩电性能进行分析,找出符合电性能指标的铺层厚度区间,将对透波率的约束转换到设计变量铺层厚度中。在满足透波率要求的前提下,建立了以质量最小为目标,结构刚度强度为约束,罩壁不同方向铺层厚度为设计变量的优化数学模型,以实现天线罩的轻量化设计。以某A-夹层机载天线罩为例进行了优化分析,研究结果表明,优化后的天线罩有显著的轻量化效果和较高的透波率表现,验证了优化方法的可行性。     

复合材料声呐导流罩铺层的遗传算法优化设计

以复合材料力学经典层合板理论为基础,利用MATLAB编程联合ANSYS有限元分析,建立了复合材料声呐导流罩铺层结构优化平台。首先对单向载荷下的层合板铺层结构进行优化,并和实验结果相比较,验证了该优化平台的有效性。结果表明,优化后的层合板强度有了较大提高。在此基础之上,根据水下实际载荷工况,对声呐导流罩的铺层进行了优化设计,并利用ANSYS有限元分析对优化后的铺层进行应力应变分析。结果表明,声呐导流罩强度性能显著提高,实现了声呐导流罩铺层的优化设计。     

复合材料阶梯挖补修理中附加铺层的优化设计

基于有限元软件ANSYS,建立了三维复合材料层合板阶梯形挖补修理的有限元模型,分析了附加铺层大小、附加铺层厚度和附加铺层方向等修理参数对复合材料结构挖补修理强度的影响规律。这些影响规律对复合材料结构阶梯挖补修理方案设计具有指导意义。     

雷达罩复合材料铺层计算的数学方法

雷达罩复合材料的铺层设计直接关系到雷达罩复合材料的强度,现行的商用软件需要依赖结构铺层设计才能实现仿真分析,要针对结构铺层分别划网格、建模型,铺层设计的灵活性、通用性差。采用几何学原理和数据编程处理方法,将雷达罩纤维织物复合材料的平面经纬向依据不同的起始铺层角度并结合三维空间几何转换确定其在三维雷达罩模型上的实际方向,进行雷达罩复合材料铺层设计,将复合材料铺层方向投影到空间雷达罩复合材料的有限元模型中,确定复合材料的铺层角,将铺层设计显性化、通用化,并且增加复合材料铺层计算的灵活性,突破各种软件的约束。     

炭纤维复合材料在体育器材结构刚度优化中的应用

针对体育器材刚度系数低,稳定性较差的问题,提出一种新的基于炭纤维复合材料的体育器材结构刚度优化方法。选取炭纤维复合材料基体优化设计体育器材结构,获取最优基体筋格形式、厚度以及铺层数;基于获取的筋格信息与铺层数,建立体育器材加筋板有限元模型,分析体育器材加筋板稳定性与压弯刚度的关系,获取体育器材设计空间里刚度最优结构,完成刚度优化。研究结果表明,优化后的器材刚度系数高达0.99,刚度优化效果好,且优化后的体育器材稳定性较高,优化过程较为简单,为炭纤维复合材料作为体育器材结构刚度优化提供理论支撑。