收藏本站
《大连理工大学》 2013年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

复合材料层合板铺层设计与离散结构选型优化方法研究

侯玉品  
【摘要】:层合板的整体性能与单层板的材料性质以及铺层方式(各单层板的厚度和铺设角度和铺层数目)相关,但直接设计单层厚度和铺设角度会由于变量多和多值性等因素引起求解困难。采用能够表征铺层方式的铺层参数为设计变量能够避免上述问题,但需要确定铺层参数的取值范围(可行域),以保证所获得的设计能够实现;根据材料和结构一体化设计思想,合理设计铺层参数和单层板纤维含量在面内的分布可获得更大的优化效益,因而需要研究铺层方式和纤维含量协同设计;可制造性要求最优设计的铺设参数只能从标准的角度系列中选取,因此需要研究离散变量的选型优化问题。 在以上研究需求的驱动下,本文研究并获得了全部铺层参数的合理近似可行域,建立了基于铺层参数的铺层方式和纤维分布协同设计的优化模型和求解方法;研究了考虑工程制造的层合板设计,提出了求解一般离散材料选型优化设计的通用方法—基于广义形函数的参数化方法(Generalized Shape Function based Parameterization);并推广GSFP方法应用到桁架、钢框架结构等的构件选型离散优化设计中,建立了相应的数学模型和求解方法。主要研究内容和成果包括: (1)基于铺层参数的层合板优化设计模型及铺层参数近似可行域。在单层板材料性能给定的情况下,层合板的刚度矩阵是铺层参数的线性函数,同时铺层参数的可行域被证明为凸域,建立基于铺层参数的层合板优化设计模型,当铺层参数可行域已知时,能够给出问题的良好提法。然而全部铺层参数可行域仍然未知,目前已有的近似可行域也仅是必要而非充分条件。为了获得与真实可行域相近并属于真实可行域的近似域,研究了铺层参数可行域与铺层数目之间的关系,确定并验证了以最小铺层数(6层)对应的厚度和角度来表示的近似可行域是真实可行域的良好近似。基于该近似可行域建立了基于铺层参数的层合板优化设计模型。 (2)基于铺层参数的铺层方式与纤维分布协同优化设计。铺层方式和纤维含量在面内的分布对层合板的性能均有重要影响。根据材料和结构一体化设计思想,以纤维含量和铺层方式随位置的变化为设计参数,建立了基于铺层参数的铺层方式和纤维分布协同设计的优化模型;针对包含拉伸、弯曲、耦合刚度的层合板,利用获得的近似可行域,并考虑工程制造等要求,提出了基于最小铺层数的铺设方式与纤维分布协同设计的两步优化和求解策略。通过数值计算验证了所提方法的合理性与有效性。 (3)离散铺设角度的变刚度层合板优化设计及基于广义形函数的参数化方法(GSFP)。考虑工程制造的铺层方式,通常给定单层板厚度以及供各单层选择的离散角度集合,该问题是离散变量的优化问题。对该问题的求解,提出了基于广义形函数的参数化方法(GSFP),该方法可以作为求解一般离散材料选型优化的通用方法。建立了基于GSFP方法的离散铺设角度的变刚度层合板优化模型。研究表明,采用GSFP万法,离散变量可选择集中元素的排列顺序以及迫使设计变量收敛到离散值的惩罚方式,对优化结果的收敛性有很大影响。针对工程常用离散铺设角度的层合板设计问题给出了可选择集中元素的顺序规则,并提出显式惩罚策略。数值算例验证了GSFP方法的有效性。 (4) GSFP方法在其他类型离散变量选型优化问题中的推广与应用。 (a)基于GSFP方法的桁架结构截面选型离散优化设计。针对实际桁架类结构中构件截面尺寸通常从设计规范规定的标准离散尺寸中选取,建立了基于GSFP方法的桁架结构截面选型离散优化设计模型。给出了可选择集中元素的顺序规则并提出了采用显式惩罚方式来保证优化结果具有较好的收敛性。通过与已有文献中经典算例(benchmark)对比,采用GSFP方法能够获得相当或更好的目标函数值,计算效率相比基于启发式算法提高1-3个数量级,能够处理大规模的离散变量优化设计问题。 (b)基于GSFP方法的钢框架结构截面选型离散优化设计。钢框架结构中影响结构力学性能的截面几何参数之间的关系很难用数学表达式描述;此外,截面尺寸的连续化也无法实现同时对任意类型截面的连续化。为了克服该困难,建立了基于GSFP方法的钢框架截面选型离散优化模型。提出了基于刚度矩阵的Frobenius范数的可选集中元素排序规则,作为提高优化结果收敛性的一种策略。研究表明,采用GSFP方法其计算效率相比遗传算法求解能提高1-2个数量级,并且能够获得相当或者更优的目标值。 (c)基于GSFP方法的自动分组桁架截面选型离散优化设计。工程应用中通常需要对结构组件进行分组,以桁架结构为设计背景,建立了基于GSFP方法和自动分组策略的离散-连续变量混合优化设计模型,并提出了两层级的优化求解策略。研究表明该提法能够获得较好的优化结果,能够应用于实际大规模的优化设计问题。 本论文工作得到国家重点基础研究(973)计划项目(2011CB610304),国家自然科学基金项目(10902019,90816025)的资助,在此表示感谢。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TB33

手机知网App
【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 姜铁良;飞机翼面结构快速参数化建模方法与布局优化设计[D];大连理工大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 穆朋刚;赵美英;陈鹏飞;万小朋;;基于蚁群算法的复合材料层合板的铺层顺序优化[J];玻璃钢/复合材料;2007年06期
2 唐文艳,顾元宪,赵国忠;复合材料层合板铺层顺序优化遗传算法[J];大连理工大学学报;2004年02期
3 刘书田;林哲祺;;考虑作动器联接方式的结构形状控制优化[J];工程力学;2009年02期
4 刘岭;阎军;程耿东;;考虑均一微结构的结构/材料两级协同优化[J];计算力学学报;2008年01期
5 刘晓峰;阎军;程耿东;;采用自动分组遗传算法的频率约束下桁架拓扑优化[J];计算力学学报;2011年01期
6 张卫红;孙士平;;多孔材料/结构尺度关联的一体化拓扑优化技术[J];力学学报;2006年04期
7 阎军;刘岭;刘晓峰;邓佳东;;考虑尺寸效应的模块化结构两层级优化设计[J];力学学报;2010年02期
8 孙焕纯,柴山,王跃方;离散变量结构优化设计的发展、现状及展望[J];力学与实践;1997年04期
9 晏飞,戴德海,朱智春;基于遗传算法的纤维增强复合材料层合板刚度设计方法[J];强度与环境;2004年02期
10 任茶仙;张铎;;复合材料层合结构铺层顺序优化设计的免疫遗传算法[J];强度与环境;2007年02期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 刘晓峰;自动分组遗传算法的改进及在结构工程中的应用[D];大连理工大学;2011年
2 唐文艳;结构优化中的遗传算法研究和应用[D];大连理工大学;2002年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李亚东,张华林,马亿珠,李宾杰,吴志申;ABS/纳米Sb_2O_3复合材料阻燃性能研究[J];工程塑料应用;2005年02期
2 孙宝寿;邓益民;陈哲;王利柱;刘军;;基于Taguchi和UDE试验设计的注塑工艺参数优化[J];工程塑料应用;2009年12期
3 杨铭;重力式挡土墙优化设计[J];四川建筑科学研究;1987年02期
4 吴杰,张其林,杨永华;预应力桁架优化设计[J];四川建筑科学研究;2004年01期
5 曹庭分;蒋玉川;;利用Ansys和Matlab联合求解钢筋混凝土框架结构的优化设计问题[J];四川建筑科学研究;2009年03期
6 张德和;;钢筋混凝土平板最优设计的探讨[J];安徽工学院学报;1992年04期
7 张伟林;计算力学的研究现状与发展前景[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2001年02期
8 何金华;李亚;张超;;叶丝气流干燥机过程控制参数优化设计[J];安徽科技;2009年01期
9 丁元春;胡蕙露;;均匀设计在香花槐组织培养中的应用[J];安徽农学通报;2006年12期
10 张良;张彩莹;李云;肖丽霞;韩萍萍;;山茱萸多糖提取条件的优化[J];安徽农业科学;2006年22期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 齐登红;常珂;朱中道;;利用回归分析确定降水入渗补给函数[A];河南省地质调查与研究通报2007年卷(上册)[C];2007年
2 陈立海;杨青真;孙志强;季新杰;;基于遗传算法与神经网络的翼型气动优化设计研究[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
3 丁建彤;白银;戴玭;杨建国;石研然;;高速水下钢球法的建立与应用[A];2011全国水工泄水建筑物安全与病害处理技术应用会刊[C];2011年
4 田文正;王荣桥;;基于MDO体系的涡轮叶片热-结构耦合分析[A];科学发展与社会责任(A卷)——第五届沈阳科学学术年会文集[C];2008年
5 顾元宪;赵红兵;陈飚松;亢战;;结构的热-应力耦合优化设计[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
6 顾元宪;陈飙松;;航天结构优化设计的数值方法[A];首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会论文集(下册)[C];2004年
7 张慧;陈国荣;;连续体结构拓扑优化的数论网格法[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
8 李善坡;隋允康;;桁架结构截面优化模型的新提法[A];北京力学会第14届学术年会论文集[C];2008年
9 魏建国;查旭东;郑健龙;王秉纲;;基于均匀设计法的沥青碎石体积特性影响研究[A];第十届中国科协年会论文集(四)[C];2008年
10 严建华;崔素萍;王峰;李智丰;张志龄;容构华;王涛;;煤矸石—污泥陶粒的制备及其性能的研究[A];自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集(2)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张春玉;预应力空间网格结构优化理论及可靠性分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 孟珣;基于动力特性的海上风力发电支撑结构优化技术研究[D];中国海洋大学;2010年
3 段志东;基于广义模块化设计的快锻液压机机架力学特性研究[D];兰州大学;2010年
4 徐远纲;大型电站锅炉掺烧印尼煤的研究与应用[D];华中科技大学;2010年
5 朱航;基于多源遥感信息融合的作物营养状况监测与喷洒控制系统的研究[D];吉林大学;2011年
6 乔赫廷;连续体结构拓扑优化模型讨论及其应用[D];大连理工大学;2011年
7 赫显姆;多学科设计优化中智能算法与近似模型研究[D];华中科技大学;2011年
8 欧祖军;部分因析设计的最优折叠反转及相关问题的研究[D];华中师范大学;2011年
9 屠焰;代乳品酸度及调控对哺乳期犊牛生长性能、血气指标和胃肠道发育的影响[D];中国农业科学院;2011年
10 贾东立;改进的差分进化算法及其在通信信号处理中的应用研究[D];上海大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李伟;基于ANSYS平台的拓扑优化方法研究及其在离心机吊篮结构设计中的应用[D];中国工程物理研究院;2010年
2 刘超;聚氨酯膜预防综放巷道煤层自燃技术的研究[D];山东科技大学;2010年
3 杨涛;异戊烯酸甲酯催化合成及动力学研究[D];郑州大学;2010年
4 杨素娟;南水北调工程芳芝段开挖渠道边坡稳定敏感性分析[D];郑州大学;2010年
5 曹巍巍;基于智能优化算法的OFDMA系统自适应资源分配问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 韩滔;高速立式加工中心关键部件结构优化[D];大连理工大学;2010年
7 赵二鑫;车削中心静动热特性分析及床鞍结构优化设计[D];大连理工大学;2010年
8 沈亚南;考虑逐步破坏和环境载荷影响的复合材料风机叶片的强度和刚度分析[D];大连理工大学;2010年
9 王虎虎;基于自适应进化策略的舰船加筋结构动力优化[D];大连理工大学;2010年
10 薛忠泉;橡胶集料的掺量和级配对混凝土性能影响研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 罗明强;冯昊成;刘虎;武哲;;民用飞机机翼结构快速设计及自动化调整[J];北京航空航天大学学报;2009年04期
2 蓝元沛;焦起祥;关志东;许广兴;;飞机设计选材专家系统的开发[J];北京航空航天大学学报;2010年11期
3 冯昊成;罗明强;刘虎;武哲;;基于结构件实例库的飞机机体结构快速建模[J];北京航空航天大学学报;2012年05期
4 张天云;陈奎;杨光;谷莉;;工程选材方法的发展及趋势[J];材料导报;2011年23期
5 贾杰;王涛;;三维机翼的气动优化设计[J];飞行力学;2011年04期
6 王伟;;机翼结构拓扑优化的一种新渐进结构优化方法[J];飞机设计;2007年04期
7 胡添元;余雄庆;;基于CATIA二次开发的飞翼外形参数化建模[J];飞机设计;2007年06期
8 程文渊;常艳;崔德刚;谢向辉;;基于分布式计算的复合材料机翼优化设计[J];复合材料学报;2007年01期
9 闫伟天;罗明强;刘虎;武哲;;基于自动有限元建模的民机机翼结构布局优化[J];北京航空航天大学学报;2013年04期
10 蓝元沛;孟庆春;李锋;许广兴;关志东;;基于多属性效用理论的飞机设计选材方法[J];航空材料学报;2010年03期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 娜日萨;张悦;;应用MSC/PATRAN二次开发语言PCL实现参数化建模[A];第六届全国计算机应用联合学术会议论文集[C];2002年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 赵群;复合材料翼面结构布局优化设计方法研究[D];南京航空航天大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 张振伟;机翼结构选型方法研究[D];南京航空航天大学;2011年
2 王伟;大展弦比飞翼结构拓扑形状与尺寸优化设计[D];西北工业大学;2007年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 鲁大伟,李书;应用免疫遗传算法优化设计层合板铺层顺序[J];北京航空航天大学学报;2005年02期
2 方有亮,武哲;复合材料板变形最优控制的数值分析[J];北京航空航天大学学报;1999年02期
3 孟祥武,张玉洁;遗传算法交换操作的遍历性[J];北京邮电大学学报;1999年01期
4 高峰,胡俏,王章海,王德俊;改进进化方向的遗传算法与结构遗传设计[J];东北大学学报;1998年01期
5 唐立新;旅行商问题(TSP)的改进遗传算法[J];东北大学学报;1999年01期
6 聂绍珉,邵云芝,王纪红;遗传算法在复杂结构离散优化中的应用[J];燕山大学学报;1998年02期
7 吴斌,吴坚,涂序彦;快速遗传算法研究[J];电子科技大学学报;1999年01期
8 钟万勰,程耿东,裘春航;群论在结构分析中的应用[J];大连工学院学报;1978年01期
9 钱令希,钟万勰;结构优化设计的一个方法[J];大连工学院学报;1979年01期
10 唐文艳,顾元宪,赵国忠;复合材料层合板铺层顺序优化遗传算法[J];大连理工大学学报;2004年02期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 唐文艳;结构优化中的遗传算法研究和应用[D];大连理工大学;2002年
2 晏飞;复合材料翼面结构综合优化设计技术研究[D];西北工业大学;2001年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 武金瑛;遗传算法及其在结构优化中的应用[D];大连理工大学;2000年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 蒲琪,任传波;层合板弹性性能的实验研究[J];机械科学与技术;1999年06期
2 王飞;王军;程小全;;含损伤复合材料层合板振动特性研究[J];失效分析与预防;2008年04期
3 王凡;王星;蔡思远;;板锥网壳结构复合材料层合板的强度分析[J];玻璃钢/复合材料;2010年05期
4 王星;王凡;蔡思远;;板锥网壳结构复合材料层合板的屈曲分析[J];玻璃钢/复合材料;2009年04期
5 邢素丽,王遵,肖加余,曾竟成,江大志;铝合金及复合材料板开孔损伤分析[J];机械工程材料;2005年06期
6 崔海坡;温卫东;徐颖;;冲击后复合材料板剩余抗拉强度影响因素分析[J];机械工程学报;2008年02期
7 崔海坡;温卫东;;复合材料层合板冲击损伤影响因素分析[J];中国机械工程;2008年05期
8 吴振;陈万吉;;新型整体-局部高阶剪切变形理论及层合板精化三角形单元[J];计算力学学报;2005年06期
9 顾亦磊;赵美英;王芳;万小朋;;复合材料层合板机械连接失效分析及铺层优化[J];陕西理工学院学报(自然科学版);2006年04期
10 蒲琪,任传波;环氧基玻璃纤维层合板力学性能的实验研究[J];山东理工大学学报(自然科学版);2003年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 艾浩;董春迎;;非对称复合材料层合板多稳态构型分析[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
2 郭翔鹰;张伟;;两自由度角铺设复合材料层合板系统的非线性振动特性研究[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
3 姚明辉;;压电复合材料层合板的混沌动力学研究[A];The 5th 全国动力学与控制青年学者研讨会论文摘要集[C];2011年
4 吕光全;张纪奎;程小全;;厚截面复合材料层合板固化过程数值模拟研究[A];经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会(第二卷)[C];2010年
5 谢宗蕻;张磊;苏霓;;离位增韧复合材料层合板低速冲击阻抗性能试验研究[A];复合材料:创新与可持续发展(下册)[C];2010年
6 郭兆璞;陈浩然;;复合材料层合板粘弹性屈曲分析[A];复合材料的现状与发展——第十一届全国复合材料学术会议论文集[C];2000年
7 王瑞;郭兴峰;陈海霞;王广峰;;复合材料层合板双切口层间剪切试验的改进研究[A];复合材料:生命、环境与高技术——第十二届全国复合材料学术会议论文集[C];2002年
8 王星;夏才安;董石麟;;板锥网壳结构的静力有限元分析[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2000年
9 陈换过;姜节胜;闫云聚;徐斌;;复合材料层合板结构在线损伤检测[A];第八届全国振动理论及应用学术会议论文集摘要[C];2003年
10 王星;王磊;董石麟;;板锥网壳结构的设计与施工[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2000年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 侯玉品;复合材料层合板铺层设计与离散结构选型优化方法研究[D];大连理工大学;2013年
2 王跃全;飞机复合材料结构修理设计渐进损伤分析[D];南京航空航天大学;2010年
3 苏永振;航空材料结构低速冲击健康监测研究[D];南京航空航天大学;2010年
4 付丽;基于非局部理论的复合材料层板脱层的理论与数值研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
5 彭文杰;复合材料层合结构极限强度预测方法及分层应力最小化研究[D];华中科技大学;2009年
6 郑玉芳;考虑损伤效应的粘弹性/压电智能层合结构的非线性静动力学研究[D];湖南大学;2005年
7 吴莹;SMA拟弹性对增强复合材料层合板抗弯曲与低速冲击响应分析[D];华中科技大学;2009年
8 姜封国;结构系统基于可靠性的优化设计研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
9 唐远富;复合材料结构可靠性鲁棒分析及优化算法研究[D];华中科技大学;2012年
10 朱炜垚;含低速冲击损伤复合材料层板剩余强度及疲劳性能研究[D];南京航空航天大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐一轩;纯剪载荷下埋植元件复合材料层合板失效的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 亢佳佳;压电复合材料层合板自适应结构有限元分析及控制[D];西安电子科技大学;2010年
3 王超;含缺口复合材料层合板强度的有限元模拟[D];南京航空航天大学;2010年
4 康军;冲击后复合材料层合板的拉伸破坏行为研究[D];南京航空航天大学;2011年
5 施志凯;热力耦合下复合材料层合板渐进性损伤分析[D];大连理工大学;2013年
6 邓君;纤维增强复合材料层合板抗冲击性试验及数值分析[D];南京航空航天大学;2010年
7 王昌海;复合材料层合板的低速冲击损伤模拟[D];天津大学;2012年
8 李小乐;复合材料层合板大开口结构补强设计与试验研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
9 何龙;含孔边强化结构的复合材料层合板逐渐累积损伤研究[D];郑州大学;2012年
10 郭绍伟;含开孔复合材料层合板层间应力分析[D];大连理工大学;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026