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考虑层间应力的厚板复合材料结构多级优化设计方法

曹华  
【摘要】:随着结构设计水平的提高和复合材料制备工艺的快速发展,厚板复合材料结构在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。为了充分发挥复合材料的利用率,降低结构重量,对厚板复合材料结构进行优化设计是非常必要的。国内外许多学者对薄壁复合材料结构的优化设计进行了深入的研究,并取得了显著成果,然而针对厚板复合材料结构优化设计的研究却很少。因此,研究一种有效的优化设计方法,从而实现厚板复合材料结构的初步设计是十分必要的。本文首先针对厚板复合材料结构,研究了基于子层划分单元的有限元建模方法,通过受内压厚复合材料圆管算例与三点弯曲厚复合材料层合板算例,验证了基于子层划分模型的有限元分析方法在厚板复合材料结构三维应力问题求解中的有效性。其次,基于子层划分模型的有限元分析方法,考虑面内强度约束、层间强度约束及铺层工艺性要求,针对由子层合板重复铺叠而成的厚板复合材料结构提出了一种多级优化设计方法。该方法根据不同的设计变量,将优化过程分解为多个层次,从而实现对子层内层数、子层数、铺层比例及铺层顺序的优化,进而达到减轻结构质量的目的。最后,本文使用Matlab编写遗传算法,应用Isight优化设计平台集成Matlab与Abaqus来实现该多级优化设计方法,并通过对厚复合材料圆管、三点弯厚板及某飞机全动舵面枢轴结构的优化设计,验证了该优化方法的有效性。该多级优化设计方法为厚板复合材料结构的初步设计提供了思路,具有重要的工程实用价值。


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