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先进复合材料格栅加筋结构优化设计与损伤分析

张志峰  
【摘要】: 先进复合材料格栅加筋结构(AGS)综合新材料技术和新结构设计的优点,不仅具有一般复合材料结构的比强度和比刚度高的特点,同时拥有环境鲁棒性、自动化制造技术等独特的优势,已被广泛应用于航天航空结构中,成为最具发展前途的新型结构形式之一。本文根据航天和航空飞行器中复合材料AGS板/壳构件和结构的特点,从总体和局部,统观和精细等层次,对该结构的分析模型、理论、方法和破坏过程开展了较为深入的研究,并独立开发了相应的分析软件包AGSANS。该项研究是国家重点基础研究发展计划973计划课题“超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究”(2006CB601205)和国家自然科学基金面上项目“含损伤先进复合材料格栅加筋结构(AGS)破坏机理研究”(10302004)子课题的重要研究内容之一,同时还得到中国运载火箭研究院十五攻关预研项目《先进复合材料格栅加筋结构的力学分析与优化设计》的资助。本论文主要研究工作如下: 1.复合材料AGS结构优化设计混合遗传算法 复合材料AGS结构优化设计是一个非线性优化问题,且存在多约束、离散和连续变量并存等难点。基于这些难点,本文将遗传算法与单纯形法相结合提出了一种混合遗传算法,可以较快得到全局最优解。同时将遗传算法进行了改进,也对单纯形法中存在的若干问题给出了解决方案。优化目标为给定外载下使复合材料AGS圆柱壳的重量最小,同时满足稳定性和应变约束条件。其中,对AGS结构的分析是基于等效刚度模型。设计变量包括连续变量(肋骨厚度、斜肋铺设角度)和离散变量(蒙皮铺层、肋骨高度、斜肋间距)。通过对有无强度约束和不同加筋形式对优化结果的影响分析,发现整体稳定性为控制AGS圆柱壳结构安全度的最主要约束因素,等格栅结构在侧压下是最有效的结构形式。 2.复合材料AGS圆柱壳的鲁棒优化设计方法 通常在制造过程中,对构件尺寸和位置都规定了公差,因此,在进行结构设计时有必要将这些因素考虑在内。为此,本文基于上述混合遗传算法提出了一种针对非完善复合材料AGS圆柱壳的鲁棒优化设计方法,同时考虑了优化目标和约束的鲁棒性。为了简化运算过程,提高优化分析效率,通过敏度分析方法选取对优化结果影响较大的设计变量作为鲁棒优化设计变量(本问题为肋骨高度和斜肋铺设角度)。典型算例结果表明,鲁棒优化设计结果与传统确定性优化结果相比差别较大,表明鲁棒设计是很必要的。此外,AGS圆柱壳对初始几何非圆度缺陷不敏感。 3.复合材料三角形精细Mindlin加筋板/壳单元 由于AGS结构的复杂性和肋骨往往较高,以往的有限元分析模型都存在各种不足。本文构造了用于复合材料AGS结构分析的复合材料三角形精细Mindlin加筋板/壳单元,并推导了考虑几何大变形的非线性有限元列式。在构造过程中假定肋骨和蒙皮横向位移相同,但转角采用相同形函数分别插值,这样既保证两者变形协调性,又放松了肋骨转动的约束。在此单元中,肋骨放置的数量、位置和角度可以任意,为结构的单元网格剖分带来了很大的便利。通过算例计算结果对比,表明本单元具有较好收敛性能,并能够精确计算加筋结构的位移和面内应力,对于高肋格栅加筋结构表现出了独特的优越性。另外,基于该单元还对正交格栅加筋板和等格栅圆柱壳进行了特征值屈曲和后屈曲分析。 4.复合材料AGS结构的损伤累积扩展分析 由于复合材料AGS结构损伤行为的复杂性,有关该方面的报道还很少。本文基于精细加筋单元模型提出了一种用于AGS结构的损伤启始和扩展分析方法。该方法同时考虑了层内损伤和层间损伤,其中,层内损伤包括蒙皮纤维破坏、蒙皮基体开裂、蒙皮纤维-基体剪切破坏以及肋骨纤维破坏,而层间损伤为蒙皮分层损伤。对于层内损伤采用材料常数退化准则;而对于分层损伤,提出了一种新的等效刚度退化准则。另外基于三角形单元提出了一种适用于薄板和中厚层合板的层间剪切应力有限差分计算方法。通过典型算例证明了该损伤模型用于AGS结构分析的有效性,并详细分析了中心含孔复合材料正交各向异性格栅加筋曲板和光板在轴压下的损伤扩展机理和行为。 5.复合材料AGS结构混合分析模型 结合等效刚度模型和精细加筋单元模型构造了一种混合分析模型,即对于需要特殊研究的局部区域应用精细加筋单元离散,而在其他区域应用等效刚度板壳单元离散。这样不仅可以有效地分析AGS结构的局部力学性能,还可降低模型化的工作量,提高计算效率。计算结果表明格栅形状、肋骨间距和高度对等效刚度模型计算结果精度有重要的影响,并通过对带孔复合材料AGS板孔边特殊点应力值的分析,明确了混合法的使用限制。


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