基于ISIGHT的复合材料波纹夹层板的结构设计与优化

【摘要】：随着现代工程的不断发展,轻型化正成为工程结构设计的主流趋势,这使得复合材料在工程领域中大放异彩。在船舶领域中,伴随着舰船科技的不断进步,复合材料在船舶轻型化设计中也得到了青睐。复合材料具有比强度高、比模量大、耐疲劳性能好、阻尼减振性能好等特点,以及设计灵活等特性。船用复合材料一般是以特殊的夹层结构的形式出现,其结构形式为面板—芯材—面板。芯材的种类常见的有泡沫芯材、蜂窝式芯材、桁架式芯材以及波纹式芯材。其中,波纹式夹层板结构凭借承载能力强、吸能效果好以及热防护作用明显的特性成为近年来国内外学者研究的焦点。含有复合材料波纹芯材的夹层板结构具有厚度薄、刚度大、质量轻等优点,但其力学行为更加复杂,对其力学性能开展相关的分析研究,将有利于波纹夹层板在船舶领域的推广应用和优化设计更新。本文对复合材料波纹夹层板结构进行了静力学仿真分析,对结构整体高度以及波纹芯材间距和夹角参数进行了影响分析,并基于ISIGHT优化平台对结构的铺层厚度进行了试验设计和多目标优化设计。本文的具体研究内容如下:(1)基于ABAQUS有限元软件建立复合材料波纹夹层板结构的静力学仿真模型,在一定的静压载荷及边界条件下,对结构的强度和刚度进行分析。在原始结构尺寸的基础下,对结构的整体高度、芯材间距和芯材夹角进行参数影响分析,探究各参数对结构强度和刚度的影响规律,并且寻找最佳的参数组合方案。对寻得的最佳参数模型进行有限元校核分析,并将其作为DOE试验设计分析的初始模型。(2)利用优化软件ISIGHT集成有限元软件ABAQUS,采用优拉丁超立方设计方法对上述的最佳参数模型进行DOE试验设计分析。将面板及波纹芯材的各单层铺层厚度作为设计因子,结构强度、刚度和质量作为设计响应,辨识影响设计响应的关键因子,获得设计因子对各响应的灵敏度,并确定最佳铺层厚度的参数组合形式。对获得的最佳铺层厚度参数模型进行有限元校核分析,并将其作为多目标优化设计的初始模型。(3)利用优化软件ISIGHT集成有限元软件ABAQUS,采用第二代非劣排序多目标遗传算法对上述的最佳铺层厚度参数模型进行多目标优化设计。将面板及波纹芯材的各单层铺层厚度作为设计变量,结构强度作为约束条件,刚度和质量作为目标函数,寻求优化问题的Pareto最优解集和Pareto前沿,并从最优解集中确定本文所需的最优解。对最优解参数模型进行有限元校核分析,并将其与基础参数模型进行对比分析。