筋条形式和制造工艺对轴压载荷下钛合金加筋板力学行为模式的影响分析

加筋壁板是航空结构中常用结构形式,不同筋条形式和不同制造工艺会影响其力学行为及其失效模式.针对钛合金加筋板,采用有限元方法建立数值计算模型,研究了T型、L型和Z型3种不同截面形式筋条对加筋板的屈曲模态和破坏形式的影响机制,分析了焊接、点焊和铆接不同制造工艺对加筋板的屈曲载荷和后屈曲特性的影响.结果 表明:T型加筋板的屈...     

搅拌摩擦焊接加筋板轴压稳定性研究

运用半经验公式对采用搅拌摩擦焊接技术的加筋板轴向压缩局部屈曲临界应力进行工程计算,并应用有限元软件ABAQUS对该型结构的稳定性进行数值计算,得到结构的失稳屈曲临界载荷;参考工程计算和有限元计算值,对加筋板进行轴向压缩试验,对其屈曲形式、失稳及破坏载荷进行试验研究,并考虑侧边支持条件对结果的影响。试验分析表明,非承载边的约束条件对试件的屈曲载荷有一定的影响,而对试件的承载能力影响较小;搅拌摩擦焊加筋板具有一定的后屈曲承载能力;有限元计算结果与试验结果较吻合,说明模拟方法可以用来对该型结构的稳定性能进行分析,从而为该型结构的优化设计及工程应用提供分析参考。     

复合材料加筋结构的神经网络响应面优化设计

针对复合材料加筋结构优化设计的复杂性,提出利用人工神经网络结构近似分析响应面来反映结构设计输入与结构响应输出的全局映射关系的优化方法。通过正交试验设计选取合适的结构有限元分析样本点,进行神经网络响应面的构建和训练;将神经网络响应面作为目标函数或者约束条件,汇同其他常规约束条件完成优化模型的建立,并应用遗传算法(GA)进行优化,从而形成一套适应性强的的高效优化方法。以复合材料翼身融合体帽型加筋板的质量优化为实例,建立加筋板模型的重量响应面目标函数、强度和翘曲稳定性响应面约束条件;通过PATRAN/NASTRAN有限元软件进行有限元计算,获取用于响应面训练的样本点数值。算例结果表明,该方法能以很少的有限元分析次数取得高精度的响应面近似模型,并且使优化计算耗时大为减少,优化效率大大提高。     

复合材料加筋板剪切屈曲特性研究

分别应用半经验工程算法和有限元软件MSC.Patran/Nastran对复合材料加筋板进行剪切稳定性计算,得到结构的失稳临界载荷;开展复合材料加筋板剪切稳定性试验,得到结构的屈曲形式、失稳载荷、破坏过程及破坏载荷。实验结果表明,复合材料加筋板的破坏形式主要表现为筋条的脱胶和蒙皮的破损,该型结构具有一定的后屈曲承载能力。研究表明,工程算法、有限元计算结果与试验所得局部屈曲载荷较吻合,说明工程算法和有限元模拟方法可以用来对该型结构的稳定性能进行分析,从而为该型结构的优化设计及工程应用提供分析参考。     

加筋圆筒结构重量和屈曲承载力关系的量化分析

加筋圆筒结构对轻量化程度要求高，通过量化分析其屈曲承载力与重量关系为工程早期设计提供参考。首先，探究了加强筋数量或截面类型等单因素变化引起的结构重量变化对其屈曲承载力的影响。进而，以加强筋数量、截面类型、尺寸为设计变量，约束屈曲承载因子下限，建立结构重量最小化的优化模型，探究这些多因素同时变化时加筋圆筒结构重量和屈曲承载力关系。在此分析和优化设计中，采用有限元法计算结构屈曲承载因子，为了获得屈曲承载力和重量关系，在优化设计中引入不同屈曲约束下限获得多组优化设计解，基于最小二乘法拟合出结构屈曲承载力和重量关系曲线。结果表明，在给定设计域、边界约束、载荷工况下竖向加强筋比周向加强筋对结构屈曲承载力影响大，加强筋不同截面类型与重量变化关系不同。结构屈曲承载力与重量关系曲线为非线性，随着结构重量增大屈曲承载力增大，但其增大的幅度逐渐减少。     

薄板结构加筋布局设计的渐进结构优化方法

基于加筋板结构有限元分析技术、渐进结构优化(ESO)方法提出一个系统的策略,研究薄板结构的加筋布局优化问题.研究加筋板结构有限元分析的两种方法,对比其计算精度与效率.基于板梁离散有限元模型,通过ESO方法控制加筋的生长与去除,获得加筋的布局.采用该方法对板结构进行以结构刚度最大为目标的加筋布局优化设计,数值结果表明所提出的方法能有效获得合理的加筋布局.     

复合材料薄壁加筋结构局部稳定性分析的谱单元法

工程结构的有限元数值分析往往采用粗网格模型,这导致压、剪或其联合载荷作用下的薄壁加筋结构初始屈曲临界载荷计算误差过大,而采用四边简支板的工程校核方法强化了实际约束效应,进一步加大了误差。为此,采用p-收敛的升阶谱元法,计算复合材料四边简支及弹性支承层合板的屈曲特征值;同时提取粗网格单元的实际应力状态,对复合材料薄壁加筋结构局域初始屈曲临界载荷进行了分析计算。结果表明:谱单元方法可很好的收敛于四边简支板的理论解,计算效率较高;局域薄壁加筋结构的谱单元方法可高效收敛于整体薄壁加筋结构的局部稳定性解,且能计及加强筋对复合材料层合板的弹性支承作用,更准确的模拟了加筋板的实际约束效应。     

基于轻量化与强度的短纤维复合材料蜂窝三明治板结构多目标优化设计

蜂窝三明治板在结构轻量化中得到了广泛应用,采用具有良好材料性能的短纤维复合材料替换铝蜂窝,能进一步满足轻量化需求.为了短纤维复合材料更好地应用,针对增大蜂窝三明治板抗拉强度要求,提出了一种增大面板与蜂窝粘接面积的结构设计方案.在有限元软件ABAQUS中建立了考虑损伤退化的短纤维复合材料蜂窝三明治板有限元计算模型,验证了设计方案的可行性.为了兼顾力学性能和减重要求,采用基于代理模型和多岛遗传算法的优化方法对蜂窝结构参数进行了多目标优化.分析结果表明,所建立的精细化有限元模型能够模拟三明治板的性能突降行为,基于代理模型高效准确的优化流程,优化后三明治板的面密度相比于优化前降低了30％,强度满足要求.     

基于轻量化与强度的短纤维复合材料蜂窝三明治板结构多目标优化设计

蜂窝三明治板在结构轻量化中得到了广泛应用,采用具有良好材料性能的短纤维复合材料替换铝蜂窝,能进一步满足轻量化需求.为了短纤维复合材料更好地应用,针对增大蜂窝三明治板抗拉强度要求,提出了一种增大面板与蜂窝粘接面积的结构设计方案.在有限元软件ABAQUS中建立了考虑损伤退化的短纤维复合材料蜂窝三明治板有限元计算模型,验证了设计方案的可行性.为了兼顾力学性能和减重要求,采用基于代理模型和多岛遗传算法的优化方法对蜂窝结构参数进行了多目标优化.分析结果表明,所建立的精细化有限元模型能够模拟三明治板的性能突降行为,基于代理模型高效准确的优化流程,优化后三明治板的面密度相比于优化前降低了30％,强度满足要求.     

后屈曲复合材料加筋板筋条-蒙皮界面失效表征

针对后屈曲复合材料加筋板筋条-蒙皮界面失效,进行了基于六点弯试验的失效表征研究。在商业有限元软件Abaqus中建立加筋板轴压以及六点弯试验的有限元模型,采用Cohesive单元和子模型法,对轴压后屈曲和六点弯试验的筋条-蒙皮界面失效起始位置、失效模式及内力分布进行了对比分析。基于有限元结果,还推导了界面控制内力的计算方法,给出了界面脱粘的失效表征方程和失效包线。计算结果表明,六点弯试验可有效表征后屈曲复合材料加筋板的界面失效。     

基于有限元分析的管板结构优化设计

在有限元分析技术的基础上,结合优化设计技术,利用有限元分析软件完成了超规范管板系统的结构优化设计,并阐述了管板优化模型的建立,整个管板系统在优化后的重量与采用手工计算相比减少了27 64%,将该优化结果应用于实践,给企业带来的效益是显著的。     

基于拓扑优化方法的机床立柱轻量化设计

以某型机床立柱为研究对象,开展了立柱结构的轻量化研究工作。首先,利用Hyperworks软件对立柱结构进行静态和动态特性分析,得到立柱在切削力工况下的应力、变形位移云图、固有频率、振型以及频率位移响应曲线;然后,采用变密度法以柔度最小为目标函数进行拓扑优化,根据拓扑优化云图得到立柱内壁的筋条排布形式;接着,提取加筋板的中面并建立2D模型,进行尺寸优化设计,得到加筋板的最优厚度尺寸;最后,将优化模型与原模型进行力学性能对比分析。优化结果显示:基于拓扑优化方法的机床立柱可在减轻重量的同时提高其静、动态特性。     

箱型支撑结构加筋板布局设计方法研究

针对箱型支撑结构内部加筋板的布局问题,提出了一种基于密度法的高效设计方法。将箱型结构表示为内部布置有平行分布杆的结构,即所谓的纤维模型;采用密度法对承载外壁的材料分布进行优化设计;根据外壁的材料分布情况,确定箱型结构的内部加筋板。引入纤维模型,将三维实体结构拓扑优化设计问题转化为二维板壳结构的拓扑优化问题,计算量小,设计效率高。通过对典型设计实例的设计分析,说明了该方法的有效性。     

超精密光学磨床减小热误差的结构优化

热变形是影响超精密机床精度的关键因素之一,而热导率是分析机床热变形准确度的决定性因素。为了保证机床温度场分布分析的准确性,提高机床的精度,提出一种基于热力学理论的热导率分析模型以及结合有限元分析的机床结构优化方法。建立自由电子气模型以及Debye模型,分别计算出自主设计的超精密光学磨床所采用的几种材料的热导率,提高热导率的准确性;进而利用有限元软件ANSYS分析机床主轴、溜板箱和床身的温度场分布;研究分析不同机床结构下主轴和机床整体的温升规律,提出基于热力学分析结果的一系列超精密光学磨床结构优化方法,针对误差敏感方向,采取对电动机与溜板箱的连接件以及电动机和主轴的接触件进行优化设计,减小热源与主轴、箱体之间的接触面积等方法,使机床热变形减小,提高了机床的精度。     

热环境中加筋壁板数值仿真

热环境下的动特性是进行结构动态响应分析和优化设计的基础。本文对四周简支的飞行器热防护系统钛合金加筋壁板热动特性进行了分析,采用工程计算方法,计算了壁板在500℃下的临界应力,在PATRAN平台建立分析模型,并采用NASTRAN商业软件获得壁板结构热屈曲临界温度。     

基于Pareto遗传算法的腹板梁结构抗屈曲疲劳优化设计研究

依据疲劳分析中的细节疲劳额定值法,提出一种基于遗传算法的腹板梁结构抗屈曲疲劳的优化设计模型。通过有限元计算及试验分析,采用半经验方法建立结构屈曲疲劳分析模型,并应用遗传算法进行优化计算,获取了质量最小情况下结构疲劳寿命最高的结构设计方案,优化后理论分析的腹板梁结构屈曲疲劳寿命比初始结构寿命有了显著提高,为通用飞机结构减重提供设计依据。     

某手掷式无人机机翼结构拓扑优化设计研究

为解决某型手掷式无人机机翼结构重量占比高的问题,采用一种多变量结构拓扑优化设计方法。以结构重量最小为优化目标,以Fluent软件计算的气动力为载荷输入,以Nastran软件计算的结构最大形变、最大应力和屈曲特征值为约束,以机翼结构尺寸为优化变量进行减重优化设计。结构性能仿真结果表明,优化后机翼结构减重21.7%且满足结构安全性能约束要求。可提升该无人机续航时间38%,增加有效载荷278 g。优化后机翼结构尺寸的变化规律也为同类型飞机机翼结构设计提供了参考。     

薄壁箱型结构仿真与实验稳定性分析

文中以单节薄壁箱型结构为研究对象,针对不加筋和加筋2种结构形式,利用ANSYS特征值屈曲分析和实物试验对其进行稳定性研究,得到了加筋前后薄壁结构的极限失稳载荷和屈曲形态。仿真与试验结果都表明,加强筋的设置显著提高了薄壁箱型结构的极限失稳载荷,是一种非常有效的提高薄壁结构稳定性的方法。特征值屈曲分析得到的屈曲形态与试验比较一致,可方便快速地为加强筋的形状和位置优化提供理论依据。     

边界条件对薄壁加筋板压缩稳定性能的影响

应用非线性有限元方法对加筋板的压缩稳定性进行建模数值计算,通过定义加筋板有限元模型中四边节点的约束条件模拟压缩稳定性试验中承载端简支、固支边界条件以及常用的刀口支持、螺栓顶压、夹板夹持等侧边支持夹具,根据有限元计算结果分析承载端和侧边边界条件对加筋板压缩稳定性能的影响。计算结果表明,当承载端边界约束条件为固支时,结构的屈曲载荷与承载能力均比承载端简支时有一定的增加;当承载端简支时,结构的屈曲形式与破坏失效形式随侧边边界约束条件的不同而不同,相比于侧边自由的情况,侧边施加约束可以增加结构的屈曲载荷与承载能力;当承载端固支时,不同侧边边界约束条件下结构的屈曲形式与屈曲载荷基本相同,相比于侧边自由的情况,侧边施加约束可以增加结构的承载能力。     

基于有限元分析的管板结构优化设计

在有限元分析技术的基础上，结合优化设计技术，利用有限元分析软件完成了超规范管板系统的结构优化设计，并阐述了管板优化模型的建立，整个管板系统在优化后的重量与采用手工计算相比减少了27.64％，将该优化结果应用于实践，给企业带来的效益是显著的。