基于T700碳纤维复合材料的箱体结构优化设计

为得到深海工况下轻质高强度复合材料箱体设计方案,运用有限元软件ABAQUS,基于最大应力准则使用FORTRAN语言编写用户材料子程序(UMAT),建立了1 MPa压力下T700碳纤维复合材料箱体的强度仿真模型。通过对箱体的加强筋设计、外形设计和铺层结构设计,以及使用分级递进优化设计方法对其结构进行优化,最终得到了轻质化高强度的压力下箱体设计方案。优化仿真分析结果表明:复合材料箱体采用井字框加强筋和圆角过渡外形设计时,能够有效增加结构强度,减少箱体质量。     

复合材料耐压壳环肋加强区的结构优化设计

复合材料能够大幅减轻耐压壳结构的质量,这对增加水下航行器的有效载荷,提高其续航力具有重要意义。基于复合材料可设计性的特点,考虑了耐压壳与加强筋结合的"倒T"形区域,研究了不同铺层数量耐压壳结构的强度失效模式和极限承载压力。以环肋区域、连接区域、覆盖区域的铺层数量为设计变量,用拉丁超立方试验设计方法在设计变量空间里选取样本点并进行有限元结构分析,得到各样本点的响应。利用径向基神经网络模型建立铺层数量与临界失稳压力、Tsai-Wu失效指数和重量的关系,结合多岛遗传算法,得到了复合材料环肋耐压壳的最优设计方案。结果表明,优化后的耐压壳满足设计要求,提高了耐压壳结构强度利用率,缩短了优化时间。     

基于HAJIF系统的复合材料机翼结构优化

复合材料是高度各向异性材料,其结构设计和分析方法等与金属结构存在诸多差异。尤其在复合材料结构优化过程中,强度、稳定性等设计因素众多,导致结构优化设计工作繁琐、优化效率不高。对于需要考虑大量强度约束的复合材料机翼结构初步设计,如何快速获取初始铺层方案成为制约复合材料机翼结构设计的关键之一。针对复合材料机翼结构初始方案快速获取的问题,构建了基于"设计区-关键元"思想的复合材料机翼结构二级优化设计方法,以层合板理论为基础,引入复合材料许用值工程算法,基于工程准则法,构建了复合材料铺层厚度及铺层比例的二级优化策略,基于自主结构分析软件HAJIF系统的有限元求解器,提出了基于全内存数据存取的复合材料结构二级优化方法,完善并开发了复合材料结构铺层优化设计软件。考虑典型复合材料机翼各个设计区强度约束,应用开发的软件完成了机翼结构复合材料壁板铺层厚度及铺层比例快速优化,为机翼精细化设计提供了技术及工具支撑。     

复合材料加筋壁板优化设计

对于复合材料加筋壁板稳定性优化问题,由于涉及多个设计变量:筋条数目、筋条间距、筋条高度、筋条的铺层参数、面板的铺层参数等,本文采用具有多参数级联编码方式的遗传算法时基于稳定性设计要求的加筋壁板进行了优化.对复合材料T型加筋壁板结构重量优化的算例,验证了本文所用方法的有效性.     

基于柔性模辅助RTM技术的整体推力结构的分析与设计

本文介绍了柔性模辅助RTM(FMARTM)技术的基本原理。基于FMARTM成型技术,设计了一种整体复合材料推力结构。该结构解决了支架式推力结构的复合材料推力管与法兰边连接的难题,同时也克服了锥形壳式推力结构通风散热性能差和不便于管路设计连接的缺点。利用有限元方法对该结构的铺层方式进行了优化,采用优化铺层方式的整体推力结构的垂直压缩率和偏心率都小于1%,表明推力结构的设计是可靠的。     

基于深度学习的复合材料铺层优化方法

复合材料在航空工程中有着广泛的应用,其中铺层优化对提高结构承载能力至关重要。本文中首先运用基于神经网络的深度学习方法快速预测设计结果,然后依据预测结果,通过遗传算法搜索复合材料层合板设计问题的最优解,提高铺层设计效率,最后对比应用深度学习技术与传统优化算法得到的优化结果,证明了深度学习技术在层合板铺层优化中的便捷性和有效性。     

机织/针织混合铺层对复合材料力学性能的影响

为使纺织复合材料同时具有机织结构复合材料和针织结构复合材料的综合力学性能,通过混合铺层方式制备机织/针织混合结构复合材料。以芳纶机织平纹织物和针织罗纹织物为增强体,以环氧树脂为基体,调整复合材料中增强体的铺层顺序,利用真空辅助成型技术制备四层层压机织/针织混合结构复合材料。通过对复合材料拉伸性能、弯曲性能和冲击性能的测试,分析混合铺层和铺层顺序对芳纶环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明,混合铺层和铺层顺序对芳纶环氧树脂复合材料的弯曲强度和冲击强度有较大影响,特别是对罗纹结构复合材料纬向弯曲强度和冲击强度的改善。当采用相同铺层方式,罗纹织物为受力面时,机织/针织混合结构复合材料具有较大弯曲强度和冲击强度。     

芳纶纤维复合材料弯曲性能试验仿真

对叠层结构芳纶纤维织物增强复合材料的弯曲性能试验进行仿真,分析±45°纤维铺层对复合材料弯曲性能的影响.参照GB/T 3356-1999弯曲性能试验,生成了4种不同铺层结构小尺寸试样的几何模型,建立了三点弯曲试验的有限元模型,计算得到了试样的应力场结果,预测了试样的弯曲弹性模量及弯曲强度.结果表明:±45°芳纶纤维铺层将提高叠层结构的弯曲性能,为叠层结构的铺层优化设计提供了技术支持.     

基于Optistruct的碳纤维复合材料包装箱结构优化设计

本文基于Optistruct结构优化技术,采用碳纤维复合材料进行了某特种包装箱的结构设计。结合包装箱结构设计的技术指标要求,提出了多阶段的优化设计方法。多阶段优化设计包括形貌优化、尺寸优化和铺层优化。在箱体的概念设计阶段,通过形貌优化获得了满足箱体刚度的加筋结构;针对基于铺层的碳纤维复合材料的可设计性能,在箱体的细节设计阶段,通过尺寸优化和铺层优化分别获得了复合材料各个铺层角度的最佳铺层厚度尺寸和复合材料箱体的最佳铺层方式。最终,通过有限元数值分析验算,结构设计的结果满足设计要求。     

纯电动汽车碳纤维复合材料电池箱体的铺层设计研究

为解决碳纤维复合材料电池箱体轻量化设计中的铺层设计问题,现以某款纯电动汽车的电池箱体为研究对象,采用T300/5224复合材料,综合垂直颠簸、急刹车和急转弯工况,利用Opti Struct通过自由尺寸优化、尺寸优化、层叠次序优化来得到最佳的铺层分布方案;采用对称布置形式,其目的是减少弯扭变形与面内力的影响;各铺层固化厚度均为0.125 mm,最终得到的最佳铺层顺序为[±45/0/±45/0/90/0/90/0/±45/0/90/0/90/0/±45/90/±45/90/±45/90/±45/90]s。在满足相关工况的要求下,进行强度校核,使刚度得到提高,同时重量也大大减轻。优化后的质量与同等钢制电池箱体相比减轻了65.89%,充分发挥了复合材料比强度高、比模量大等优点,轻量化效果明显。     

短纤维层间增强碳纤维复合材料层板的力学研究

以斜纹3k T300碳纤维布、环氧树脂和0.3~0.5 mm短切碳纤维为主要实验原料,使用短切纤维铺放装置将短切碳纤维定量铺放在碳纤维布表面,并铺层得到5块层间短切纤维增强的预制体,每块预制体含8层碳纤维布且每块预制体层间短切碳纤维铺放面密度分别为5,10,20,30,40 g/m2,并增设一块层数为8层、层间不含短切纤维增强的预制体作为对照组。采用真空辅助树脂灌注成型方式浸渍预制体后高温固化,得到层间含不同面密度短切纤维的碳纤维复合材料层合板,研究了不同面密度短切纤维含量对碳纤维复合材料层合板拉伸、弯曲以及层间剪切强度的影响。研究结果表明,当短切碳纤维铺放面密度为5 g/m2时,复合材料层板的拉伸、弯曲强度最好,在5~40 g/m2范围内,复合材料层板的层间剪切强度随短切碳纤维铺放面密度的增大而增大。     

某电磁弹射无人机复合材料机翼结构优化设计与分析

无人机已经成为航空领域重要成员之一。在无人机初步设计阶段,为减轻其结构重量,采用复合材料设计。复合材料在比强度和比刚度以及抗振和加工制造等方面优于其他传统材料,在无人机结构中得到了广泛的应用。由于复合材料层合板在生产加工过程中具有可设计性,在复合材料中已经成为使用最多的一种结构形式。以某型号电磁弹射无人机机翼为研究对象,建立了复合材料机翼结构的有限元模型,将机翼的结构重量作为优化目标,以机翼翼尖挠度和复合材料失效因子为约束条件,应用工程优化软件对复合材料翼面结构进行自由尺寸优化,整个优化过程需同时满足机翼强度及刚度要求。最终自由尺寸优化结果表明,复合材料的铺层比例和厚度分布在优化后得到了重新设计,比较之前的结构方案,优化后的铺层设计能够有效降低机翼结构质量,实现减重的优化目标。     

复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性影响研究

为了减轻重量和提高升阻比,现代飞行器结构普遍采用大展弦比布局,并且轻质复合材料在飞行器结构中的使用占比也越来越高。为了研究复合材料铺层角度对大展弦比机翼纵向气动特性及非线性气动弹性的影响,首先以机翼结构的弹性变形为优化目标,以结构强度为约束条件,采用Screening方法对大展弦比复合材料机翼蒙皮的铺层角度进行优化,优化后机翼的刚度明显增强。然后基于松耦合的双向流固耦合数值计算方法,对大展弦比机翼非线性气动弹性及流场进行优化前后的数值模拟,分析了复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性变形及纵向气动特性的影响。     

基于蚁群算法的复合材料层合板的铺层顺序优化

本文将蚁群算法引入到复合材料层合板铺层顺序的优化设计中,对给定各角度铺层数的层合板进行优化设计。本文采用遗传算法(GA)中的整数编码方法,将层合板的铺层顺序优化问题转化为求解旅行商问题(TSP),接着为满足工程实际的需要,对基本蚁群算法作了适当修改,以提高优化效率及性能。算例结果表明,对于确定层合板最佳铺层顺序的这种离散变量优化问题,蚁群算法是一种行之有效的方法,且编程简单、可移植性好,对工程结构优化设计有一定的参考价值。     

基于遗传算法的层压板强度优化设计

本文的主要目的是研究遗传算法的优化机理并将遗传算法应用到复合材料层压板铺层的优化设计中。在深入理解力学原理,熟悉掌握数值计算方法的基础上对层压板进行强度优化设计。因此,在深入研究单层复合材料以及叠层复合材料的弹性特征理论基础和改进的遗传算法优化理论之后,针对复合材料层压结构遗传算法优化设计中层压结构参数具有离散型的特点,提出了适合复合材料层压结构遗传算法优化设计的整数编码策略,以整数来表征层压结构参数,这种编码方式简单直观、使用方便、易于进行遗传算法的交叉及变异操作。在分析层压结构强度的基础上,针对结构强度优化的目标构造了可用于遗传算法的适应度函数。同时参考了一定的铺层规则,在铺层角度限制为工程中常用的四种角度的前提下,应用遗传算法对层压板进行了铺层优化设计。设计结果表明,由于遗传算法特有的处理离散型问题的优势,在层压板铺层的优化设计中应用遗传算法是可行和可信的。     

提高层压板屈曲强度的铺层顺序优化方法讨论

复合材料层压板铺层优化设计对于提高飞机结构承载能力至关重要。本文基于遗传算法和随机正态分布优化算法,以轴压复合材料层压板屈曲荷载为目标函数,开展铺层顺序优化设计。采用MATLAB语言编写两种优化算法程序,对不同铺层数和边界条件的对称均衡层压板进行铺层顺序优化。结果表明:采用整数编码、罚函数处理约束条件的遗传算法能够优化层合板铺层顺序问题;当铺层总数为24层时,四边简支和四边固支层合板的最优铺层相比最差铺层的承载力分别提高了27%和15%,优化铺层设计效果明显。随机正态分布优化算法计算结果与遗传算法结果一致,随机正态分布优化算法更简单实用、易收敛,更适用于层压板的铺层顺序优化设计。     

考虑稳定性的复合材料加筋板结构快速化铺层优化设计

利用铺层参数和工程常用铺层库对复合材料加筋板的铺层顺序进行优化,在不改变结构重量的情况下提高结构的初始屈曲载荷。考虑到在优化过程中需进行稳定性分析计算,而频繁调用有限元计算时间较长,因此选取屈曲载荷计算值与试验值和有限元结果相近的基于能量法的复合材料加筋板稳定性快速分析方法。优化过程以铺层参数为设计变量,利用MATLAB优化工具箱实现铺层参数的优化;然后将优化结果与工程常用铺层库中各铺层的铺层参数进行对比,用最小二乘法选取相近的铺层顺序进行匹配;最后利用能量法和有限元方法验证优化后的加筋板屈曲载荷是否提高。算例表明,上述优化方法运算时间短、优化效率高,优化后的加筋板屈曲载荷提高了17%以上。     

碳纤/环氧复合材料层合板低速冲击损伤机理研究

对[0/90/0/90]_(2s)和[+45/-45/0/90]_(2s)以及平纹布铺层方式的T300/环氧复合材料层合板进行低速冲击实验,在圆形试样的基础上比较不同铺层结构的复合材料在冲击性能方面的差异,从冲击能量传播的角度分析不同铺层结构复合材料的冲击破坏机理。并在ABAQUS有限元模拟的基础上分析冲击破坏的能量传播机理。结果表明冲击能量的传播与复合材料层合板中织物沿厚度方向的铺层结构有关,也与每一层织物内纤维的方向和纤维的空间结构有关。冲击能量在排列很直的纤维中传播很快,沿纤维轴向的损伤更容易传递,所以单向布铺层的复合材料与平纹布铺层的复合材料相比,冲击中心区域的损伤小,但是损伤的范围大,纤维的弯曲会降低冲击能量沿纤维轴向的传播速度,平纹织物中每一层纤维存在交织点,冲击能量集中在冲击中心区域,使得平纹布铺层的复合材料冲击损伤集中于冲击中心处且损伤程度比单向布铺层的复合材料大,出现更多的纤维断裂情况。在铺层复合材料中纤维排列的方向越多,沿纤维轴向传播的能量方向也就越多,冲击能量在每一层的面内传播更均匀,有利于减轻复合材料受冲击的损伤程度。     

EP/CF/铜复合板防弹性能的实验和模拟

研究了以环氧树脂为基体材料与碳纤维/Cu板制得复合板的防弹性能。对碳纤维采用正交铺层结构并与不同厚度的铜板穿叉铺层设计,整个设计铺层为17层,总厚度为7.6 mm。根据四次击穿实验与数值模拟分析表明:该复合板能够吸收子弹的比动能为1.281 4×109 J/m2。该吸能结果优于同等厚度的945防弹钢,但是其密度约为它的一半。因此该复合材料是一种更为轻便,设计更灵活的防弹材料。     

碳纤维增强GFRP输电杆塔结构分析

将碳纤维层铺于玻璃纤维缠绕层中形成夹芯结构,以提高玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)杆塔的刚度。利用有限元分析方法对GFRP杆塔的材料和结构设计合理性进行了验证。结果表明,在满足强度要求的基础上,碳纤维的加入可以有效提高GFRP杆塔的刚度,减小杆身位移。杆身根部采用等径结构可以有效增加杆塔刚度,杆身厚度减小使得杆塔变形及杆身质量进一步优化。有限元分析结果显示,结构优化后GFRP杆塔最大位移减小到0.904 m,且GFRP杆身质量减轻118 kg,优化效果明显。