承载式碳纤维缠绕内衬钢管车架轻量化设计

使用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)替换原金属材料是汽车轻量化设计的新途径。对于连接要求高、空间结构复杂的车架结构采用碳纤维缠绕内衬钢管的形式来实现材料的部分替代是一种新的思路。以承载式CFRP层缠绕内衬钢管车架为研究对象,在保证车架安全性的前提下,基于HyperWorks软件的复合材料优化模块,通过自由尺寸优化、厚度参数优化和铺层顺序优化3个步骤对CFRP层进行质量寻优;考虑承载式CFRP层缠绕内衬钢管车架的制造工艺性,对CFRP层的优化结果进行调整以满足制造要求。优化后,承载式车架质量较原钢制车架质量减少了23%,且在满载弯曲、急刹车、急转弯和侧翻等极端工况下满足刚度和强度要求。     

航空电子设备复合材料结构优化设计概述

复合材料由于其良好的性能而在航空电子设备中的应用越来越广泛。讨论了航空电子设备复合材料结构优化设计技术,对优化的数学模型展开论述,介绍了优化的五个层次的材料工艺优化、拓扑优化、位置优化、尺寸优化和铺层优化,同时阐述了它们的特点和相应的优化算法。继而针对航空电子设备,研究了复合材料结构综合优化方法。通过对某型天线罩进行结构优化设计,结果表明了优化方法的可行性。     

大型复合材料结构实用优化设计技术研究

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气动弹性等性能指标要求且使结构重量更轻的飞行器结构.先应用几何建模软件CATIA进行飞行器尾翼结构几何外形的确定,接着应用大型工程软件Hypermesh进行了其结构的有限元模型的建立,并且应用了区域划分技术,然后在数值计算仿真的基础上,对飞行器结构的各构件几何参数实施了工程优化设计;针对其复合材料的三种经典铺层角度按照一定的铺层比例进行优化设计分析.因此总结出诸多有意义的实际工程应用经验.     

复合材料地铁车车头外罩铺层优化设计

为了充分发挥复合材料轻量化的潜能,基于OptiStruct复合材料优化技术对某地铁车车头外罩进行铺层优化设计,实现了车头外罩的轻量化。首先,以全碳纤维、玻碳层间混杂和玻碳夹芯混杂3种铺层方式作为备选方案,对复合材料车头外罩进行等代设计,初步确定最优的铺层方案;其次,针对复合材料的可设计性,分别以柔度、质量和铺层顺序为目标函数对该最优铺层方案进一步进行自由尺寸优化、尺寸优化以及铺层顺序优化,最终获得了车头外罩最佳的铺层厚度和铺层顺序。研究结果表明:在满足车头外罩刚度和复合材料应变的设计要求下,优化后的复合材料车头外罩与等代设计阶段相比质量减轻了23. 6%,与原玻璃纤维车头外罩相比质量减轻了33. 6%,轻量化效果明显。     

基于modeFrontier和ABAQUS的复合材料层合板开口补强优化设计

航空航天结构中的复合材料层合板开口补强问题一直受到关注。以含中心矩形开口复合材料层合板为研究对象,在拉伸、压缩、剪切载荷下采用不同补强材料及不同补强形式,使用mode Frontier软件与ABAQUS软件集成优化的方式,对补强结构参数进行了优化设计。对不同补强形式、不同补强材料下最优化结构质量进行对比分析。研究表明,三种补强方式中插层补强最优化结构形式最优,补强后结构质量最轻。     

直接转移方式的木星探测器构型设计及轻量化

基于木星探测器直接转移方案设计了3种木星探测器构型并进行有限元仿真,比较发现三翼承力筒构型在满足质量包络的同时,具有最高的模态基频。以该构型为基础,对整体复合材料板铺层厚度进行尺寸优化,使得整器结构的质量从112.5 kg下降到81.5 kg,降低了27.6%。以服务舱隔板为设计区域开展局部的拓扑优化,使隔板质量从12.3 kg下降为11.2 kg,下降了8.9%。根据运载要求,对优化后整器模型进行基频验证:最小横向和纵向基频分别为9.967 Hz和23.567 Hz,满足运载基频要求,具有工程可行性。     

复合材料控制臂的多区域铺层结构优化

使用碳纤维复合材料设计某乘用车悬架控制臂,对4个区域的铺层结构进行优化设计.首先以各角度铺层厚度为设计变量对控制臂模态频率、质量和各工况应变能进行优化;然后以前三阶模态频率为目标,弯曲刚度参数作为设计变量优化铺层顺序.针对设计变量间存在的工艺约束条件使样本空间不规则且优化变量较多的问题,利用聚类分析进行试验设计确定训练近似模型需要的样本点,并用高斯过程回归方法建立近似模型以减少计算时间,验证模型R2在0.9以上.两步优化后,对比复合材料初始铺层各性能指标均有不同程度改善,复合材料质量减少11.4％;对比原钢制控制臂,各性能均满足要求,质量降低37.1％.     

星载电子设备加筋板优化设计

星载电子设备动力学性能对于卫星工作可靠性具有重要意义。本文以某卫星星载电子设备为研究对象,采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法研究了该电子设备机箱加筋板的结构设计。建立了两层实体单元的板结构,以一阶频率最大为目标,通过拓扑优化得到加强筋结构的拓扑分布;之后在拓扑构型基础上,以结构质量最小为目标,一阶频率作为约束条件进行尺寸优化得到加筋板的详细结构。     

拼接铺层纤维增强复合材料连接结构设计与离散优化

多相离散设计是依据零件具体结构,通过各向异性材料分布,获得理想的优化设计方法.针对目前离散设计方法中相邻设计域接头间的可靠性连接问题,提出了一种拼接铺层的结构形式,为结构件设计域连接提供了一种新的方法.结合复合材料离散设计与拼接铺层结构形式,综合考虑拼接接头对零件整体性能的影响,建立复合材料离散铺层优化系统.以汽车后背门模型为例,试验测试与仿真对比,验证了所建立优化模型的结果准确性.在优化过程中引入复合材料相关制造约束和材料插值模型,使优化设计结果兼顾了良好的可实施性.应用该铺层优化设计系统,相较传统复合材料铺层设计,汽车后背门在保证零件性能指标的基础之上,总成零件重量降低28.0％,实现了更加理想的轻量化实施效果.     

基于材料-结构协同设计的层合板多级优化方法

提出一种以材料参数与结构参数为变量的复合材料层合板多级优化设计新方法。以单层纤维含量、层厚和铺层角为设计参数,建立了刚度和强度约束下的结构减重设计模型,基于有限元分析,运用所提出的三级优化策略完成结构轻量化设计。本文给出了不同载荷类型和位移边界条件下层合板优化算例,设计结果验证了方法的有效性。     

大型机械结构的分层动态优化方法

针对大型机械结构动态优化设计维数高,同时涉及外形尺寸和截面尺寸两类变量,采用整体优化策略,存在收敛困难的问题,提出了采用分层优化结合子结构方法的机械结构动态优化策略。以有限元方法为基础,将外形尺寸和截面尺寸分离到两个相对独立的设计空间,从而将整体优化问题分解为整体层优化和局部层优化两个子优化问题。在整体层以整体结构动态特性最优为目标,完成对外形尺寸的优化;在局部层以子结构动态特性最优为目标,完成对截面尺寸的优化;两层优化交替进行直至问题最后收敛。某型大跨自动扶梯金属结构的动态优化工程实例表明,该方法优化效果良好且优化效率高。     

复合材料板簧副簧的优化设计

这里建立了轻型车复合材料副簧的力学模型,根据层合板理论,计算出了副簧的危险应力和最大挠度,并以强度和刚度为约束,以质量最小为目标函数,通过有约束最小化优化方法,对复合材料副簧进行了优化设计,得到了最小质量下的副簧的最佳尺寸。     

基于改进粒子群优化算法的复合材料可靠性优化设计

提出了一种可用于求解非线性约束优化问题的改进粒子群算法,并将其用于求解复合材料可靠性优化设计。在满足层合结构系统可靠度的情况下,以总厚度最小为目标函数,对复合材料的纤维方向角和厚度进行优化设计。结果表明,改进粒子群算法不但具备基本算法的简单易实现、需调整参数少的特性,而且能够在确保全局收敛性的基础上,快速搜索到高质量的优化解,对复合材料层合结构的可靠性优化设计十分有效。     

复合材料结构优化技术在飞机设计中的应用

采用复合材料结构设计及优化方法,通过编译程序将工程软件CATIA、分析计算软件MSC.PATRAN和优化软件iSIGHT结合,将基于CAD／CAE技术的复合材料结构设计及优化技术融入飞机设计中,有效优化飞机复合材料结构,减轻飞机结构质量。该方法的优点是：（1）在设计铺层阶段就考虑铺层在复杂曲面上的展开形状;（2）能便捷地优化复合材料的结构设计。     

大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计

针对某1 m分辨率、200 km幅宽的大尺度空间相机框架支撑结构轻质量、高刚度的设计要求,设计了一种轻型分体支撑结构。首先从大型空间离轴三反相机研制需求出发,综合比刚度、热稳定性及加工工艺等因素选择了性能良好的高体份SiCp/Al复合材料;然后以结构质量分数为约束条件,建立以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,得到了拓扑结果清晰的各分体结构最优传力路径;进一步对主支撑结构各部分尺寸进行二次优化,得到了各分体结构的最佳构型和最优设计尺寸。设计后的分体支撑结构总重为227.8 kg,轻量化率达到93.9%,满足了高轻量化和高刚度要求。有限元分析结果及力学样机试验结果表明:分体支撑结构满足遥感相机整机基频大于50 Hz的刚度要求,在升温5℃工况下反射镜变形在公差范围之内,完全符合卫星平台对光学载荷的要求;力学样机在振动实验前后反射镜组件相对偏移角度均不超过22″,具有较好的稳定性,证明了拓扑优化和尺寸优化方法的合理性和可行性。本文提出的分体支撑结构设计对大型空间离轴相机支撑设计具有较高的工程实践价值。     

复合材料结构优化技术在飞机设计中的应用

采用复合材料结构设计及优化方法,通过编译程序将工程软件CATIA、分析计算软件MSC.PATRAN和优化软件iSIGHT结合,将基于CAD/CAE技术的复合材料结构设计及优化技术融入飞机设计中,有效优化飞机复合材料结构,减轻飞机结构质量.该方法的优点是:(1)在设计铺层阶段就考虑铺层在复杂曲面上的展开形状;(2)能便捷地优化复合材料的结构设计.     

集装箱吊架结构优化设计

采用拓扑优化、形状优化和尺寸优化对集装箱吊架进行优化设计。首先利用基于变密度法的拓扑优化,以柔度最小为优化目标,体积分数作为约束条件,得到设计空间内最优的材料分布路径。然后根据得到的拓扑结构重新设计,并在局部再一次进行拓扑优化,改善局部的拓扑结构。利用最终得到的吊架的拓扑结构建立新的有限元模型,综合运用形状优化和尺寸优化;以质量最小为优化目标,吊架的刚度和强度为约束条件,实现吊架的减重。通过综合三种优化方法,不仅提高了吊架的性能,而且大大降低了吊架的质量。     

地铁车钩维护工作台轻量化设计

针对传统设计方法下地铁车钩维护工作台尺寸与重量偏大,使得材料成本增大的问题,采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法,通过构建拓扑优化模型和尺寸优化模型,进行了从车钩维护工作台拓扑结构到各尺寸参数的优化过程,实现了车钩维护工作台的轻量化设计。在轻量化设计过程中,通过结构的拓扑优化设计得到了材料在设计空间内的最佳分布,在此基础上提取车钩维护工作台拓扑结构,并通过相对灵敏度分析,筛选出对车钩维护工作台质量降低敏感但对性能降低不敏感的设计变量,最后以筛选出的6个变量作为设计变量进行尺寸优化设计。结果表明:优化后的车钩维护工作台强度有所提高,刚度满足设计要求,并且实现减重49.28kg,减重率为30.73%,轻量化效果显著。     

基于分级优化方法的碳纤维复合材料笔记本电脑后盖轻量化设计

为解决压力作用下笔记本电脑后盖变形后对LCD屏产生破坏和后盖结构过重的问题,基于分级优化方法,建立了静压工况下笔记本电脑后盖数值计算模型.通过使用碳纤维复合材料,并联合运用铺层角度优化、自由尺寸优化、尺寸优化和铺层次序优化的分级优化方法,使笔记本电脑后盖质量由157g降至90g,笔记本后盖最大变形量由18.2mm降至6.5mm,LCD屏最大压应力由12.1MPa降至8.4MPa.     

复合材料起落架舱门结构优化设计

基于有限元软件ANSYS建立复合材料起落架舱门参数化有限元模型,基于三明治夹芯板理论将蜂窝芯层等效为均质的厚度不变的层板,以蜂窝夹芯高度与复合材料面板各铺层厚度为设计变量,以铺层板、蜂窝夹芯的强度,结构稳定性以及结构刚度为约束函数,以结构质量最轻为目标函数,基于ANSYS优化模块首先选择零阶法进行优化得到粗略解,其次选择一阶梯度优化法进一步对夹层结构进行优化设计,得到最优蜂窝芯子厚度、蒙皮各铺层厚度.