飞行器复合材料结构弹性刚度剪裁优化设计技术研究

发布时间：2017-03-26 08:00

  本文关键词：飞行器复合材料结构弹性刚度剪裁优化设计技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：飞机复合材料结构综合优化设计是充分发挥复合材料可设计的特点、提高飞机整体性能的一种技术,可以充分利用复合材料结构的弯扭耦合效应,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得结构重量更轻的飞行器结构。 本文应用复合材料层合板理论,严格推导了矩形机翼盒段复合材料层合结构的弯扭耦合本构方程,建立了弯扭耦合系数的解析数学表达式,分析了盒段复合材料叠层铺向角以及整体偏转角对弯扭耦合效应的影响,给出了盒段弯扭刚度与铺向角的曲线变化规律;在此理论研究工作基础上,设计了矩形机翼盒段复合材料层合结构的弯扭耦合优化算法,组织了算法流程,且应用MATLAB编制了算法程序,根据具体算例验证了理论方法的正确性与有效性。由此,提出了有利于复合材料结构气动弹性设计且能够虑及复合材料层合结构损伤容限要求的几种弹性刚度剪裁优化方法。 针对某一具体发展型飞机全复合材料机翼结构设计,本文应用大型工程分析软件ANSYS进行了其结构有限元建模。在数值计算仿真的基础上,对该机翼结构的各构件截面几何参数实施了工程优化设计。优化设计分析中,充分应用了复合材料盒段结构的弯扭耦合可设计概念,在结构有限元模型上实施了分级优化数值计算技术,最终获得了较好的优化结果。 本文应用几何建模软件UG进行结构几何外形确定,然后利用ANSYS软件进行结构分析与优化设计组织,采用APDL命令流格式,完成了一套完整的结构建模—分析—优化设计过程,并由此总结出诸多有意义的实际应用经验。 本文建立的复合材料翼盒弯扭耦合方程、所提出的几种复合材料结构弹性刚度剪裁方法以及分级实用优化设计技术对工程复合材料飞机结构设计具有一定的理论与应用参考价值。
【关键词】：复合材料结构 弯扭耦合效应 弹性刚度剪裁优化 有限元模型
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：V214.8
【目录】：

• 第一章 绪论7-11
• 1.1 复合材料弹性刚度剪裁应用概述7-9
• 1.1.1 复合材料结构的弯扭耦合效应与弹性刚度剪裁7-8
• 1.1.2 弹性刚度剪裁设计的软件发展8-9
• 1.2 复合材料结构优化设计概述9-10
• 1.2.1 复合材料结构优化设计的概况9
• 1.2.2 应用有限元软件进行复合材料结构优化设计9-10
• 1.3 本文主要工作10-11
• 第二章 复合材料层压板及盒段的刚度特性11-20
• 2.1 单向层压板的刚度和强度11-13
• 2.1.1 正轴应力-应变关系和刚度11-12
• 2.1.2 层板的偏轴应力-应变关系和刚度12-13
• 2.2 层压板的应力-应变关系13-14
• 2.3 考虑弯扭耦合效应复合材料盒段的刚度特性14-19
• 2.3.1 层压板方程14-16
• 2.3.2 扭转刚度公式推导16-17
• 2.3.3 弯曲刚度公式推导17-18
• 2.3.4 翼盒的本构方程及耦合刚度矩阵的推导18-19
• 2.4 小结19-20
• 第三章 复合材料翼盒的几种剪裁方法20-38
• 3.1 改变铺层旋转角或某层的铺层角20-32
• 3.1.1 理论推导与计算流程20-23
• 3.1.2 算例分析23-32
• 3.2 添加铺层法32-37
• 3.2.1 层压板弯扭耦合系数的确定32-34
• 3.2.2 单层板弯扭耦合最优铺层方向34-35
• 3.2.3 添加层铺层位置的确定35-37
• 3.3 小结37-38
• 第四章 复合材料结构优化设计理论与 ANSYS优化求解过程38-51
• 4.1 复合材料及其结构设计方法38-40
• 4.1.1 复合材料层压板的设计38-39
• 4.1.2 复合材料翼盒结构设计39-40
• 4.2 结构优化设计方法的研究40-45
• 4.2.1 大型结构参数优化问题描述40
• 4.2.2 ANSYS环境下零阶优化方法40-44
• 4.2.3 应用遗传算法的分析思路44-45
• 4.3 ANSYS优化求解过程45-50
• 4.3.1 应用 ANSYS优化的求解步骤45-49
• 4.3.2 ANSYS优化模板49-50
• 4.4 小结50-51
• 第五章 大型复合材料机翼结构多参数优化51-61
• 5.1 机翼结构形式简介51-52
• 5.2 模型的导入与有限元模型的建立52-54
• 5.2.1 几何模型的导入52
• 5.2.2 有限元模型的建立52-53
• 5.2.3 优化过程中有限元模型的建立53-54
• 5.3 复合材料板壳结构优化状态变量的选取54-57
• 5.4 大型结构的分级优化57-60
• 5.4.1 本文结构优化参数的提取57-58
• 5.4.2 分级优化法58-59
• 5.4.3 状态变量与目标函数的提取59-60
• 5.5 小结60-61
• 第六章 结构优化结果分析61-70
• 6.1 分级优化过程及结果61-66
• 6.1.1 第一步优化结果61-62
• 6.1.2 第二步优化结果62-63
• 6.1.3 第三步优化结果63-65
• 6.1.4 第四步优化结果65-66
• 6.2 优化结果分析与讨论66-69
• 6.2.1 优化模型的强度分析66-69
• 6.2.2 优化结果讨论69
• 6.3 小结69-70
• 第七章 总结与展望70-72
• 7.1 工作总结70
• 7.2 工作展望70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-75
• 硕士期间发表论文情况75-76
• 西北工业大学 学位论文知识产权声明书76
• 西北工业大学 学位论文原创性声明76

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 罗楚养;熊峻江;益小苏;张子龙;刘刚;;RTM整体成型复合材料翼盒的固有模态及稳定性[J];复合材料学报;2012年03期

2 杨旭;朴春雨;;翼面复合材料结构气动弹性剪裁设计和工艺技术[J];复合材料学报;2012年06期

3 董永朋;霍世慧;华林;王富生;岳珠峰;;复合材料机翼刚心轴线影响因素分析[J];航空制造技术;2012年11期

4 董永朋;霍世慧;华林;王富生;岳珠峰;;复合材料机翼刚心轴线影响因素分析[J];航空制造技术;2012年19期

5 董永朋;霍世慧;华林;王富生;岳珠峰;;大展弦比复合材料机翼刚心分析与剪裁设计[J];中国机械工程;2013年01期

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1 王韬;复合材料前掠翼气动弹性剪裁技术分析与研究[D];南京航空航天大学;2009年

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3 王旭;前掠翼飞机复合材料气动弹性剪裁设计分析技术研究[D];西北工业大学;2007年

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