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翼面结构布局优化与层合板多稳定构型分析

刘颖卓  
【摘要】: 航空航天结构设计需要满足轻量化、高性能的设计要求。传统的设计方法主要依靠工程师的经验和已有的设计规范,结构设计中理性因素不足,新构型的创新具有很大的局限性和偶然性,很难合理解决复杂问题。近年来,结构优化理论和方法的提出为工程师提供了更理想的设计工具,使结构的设计更加科学合理,更大程度上降低结构重量的同时,提高了结构性能,在航空结构设计领域得到了广泛的应用。 现代飞机翼面结构设计需要工程师结合设计经验,利用优化理论和方法,寻找结构构件的最优布局和拓扑形式,设计构件的最优尺寸和形状。传统的尺寸优化可以在一定程度上减轻翼面结构重量,而布局优化则可以找到结构的最优传力路径,从根本上降低结构重量。因此研发合理高效的布局优化方法对于翼面结构优化设计具有重要意义。另一方面,可变体结构的研发成为近年来一些发达国家共同关注的焦点。多稳定构型结构可在多个不同的构型下承受载荷,并且在外部作用下实现各个稳定构型间的转换。这种多稳定构型间的转化成为实现翼面结构变体的一种重要方式。一些非对称铺设的复合材料层合板在温度应力下具有多个稳定的构型,对于这一类型结构的研究,可以为未来翼面结构变体方式的研发带来有益的启迪。 在以上背景下,本文研究了考虑复合材料蒙皮稳定性的翼面结构布局优化设计方法;从解析和数值两个分析角度,针对复合材料层合板具有的多个稳定构型进行了分析和探讨。具体研究工作和成果包括: (1)考虑稳定性约束的翼面结构布局优化设计。复合材料蒙皮的稳定性是翼面结构设计需要考虑的重要方面。由于翼面结构稳定性理论分析的复杂性,工程中,通常使用简便可靠的经验公式在设计过程中进行稳定性校核。本文针对多墙式翼面结构,以工程经验公式为基础,以蒙皮的重量为优化目标,以墙的布局参数和蒙皮厚度为设计变量,以临界失稳载荷为约束,建立了一种考虑复合材料蒙皮稳定性的翼面结构布局优化问题的数学模型,推导出了目标函数敏度计算的解析式,并提出了优化问题的求解方法。实际设计算例验证了所建立的优化模型与方法的正确性和实用性。 (2)残余热应力诱发的非对称复合材料层合板多稳定构型分析。复合材料层合板在残余热应力的作用下发生热变形。对于一些特殊的铺设方式,残余应力可能导致结构具有多个不同的稳定构型。本文针对这一现象,研究借鉴、吸收现有的理论分析方法。从能量变分原理的角度,针对0°/0°/90°/90°铺设的复合材料层合板,对比了不同位移函数求解的差别,验证了结构所具有的多种稳定构型,为未来新构型的设计进行了基础性的研究工作。 (3)残余热应力诱发的非对称复合材料层合板多稳定构型的数值模拟。非线性有限元方法可以有效的求解结构的大变形问题,本文使用商用有限元软件ABAQUS,同样针对非对称复合材料层合板,从数值分析的角度,模拟了结构从高温固化降至室温的变形过程;模拟了两个稳定构型之间的转化过程;从另一个角度验证结构的多个稳定构型的同时,探讨了不同几何尺寸、不同铺设方式的层合板结构在热应力作用下具有的多个稳定构型;为未来新构型的设计从数值角度进行了基础性的研究。


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