复合材料结构优化技术在飞机设计中的应用

采用复合材料结构设计及优化方法,通过编译程序将工程软件CATIA、分析计算软件MSC.PATRAN和优化软件iSIGHT结合,将基于CAD／CAE技术的复合材料结构设计及优化技术融入飞机设计中,有效优化飞机复合材料结构,减轻飞机结构质量。该方法的优点是：（1）在设计铺层阶段就考虑铺层在复杂曲面上的展开形状;（2）能便捷地优化复合材料的结构设计。     

复合材料基础设计及优化

通过原材料的选材、铺层和层合板结构设计,阐述了复合材料的基础设计。结合复合材料的原材料和结构设计原则,说明了复合材料结构的可设计性。针对复合材料各组分材料的特性,详细介绍了原材料选择的重要性,从载荷性能要求方面并结合层合板结构设计原则,对复合材料层合板进行了设计,并应用有限元分析软件(ABAQUS)对层合板进行了仿真分析,阐述了复合材料层合板仿真分析的方法和步骤,同时根据仿真结果对复合材料铺层进行了合理的优化设计。     

复合材料薄壁圆柱壳热振动特性分析

采用有限元软件ANSYS参数设计语言（APDL）实现复合材料薄壁圆柱壳结构在线性分布温度场作用下的非线性热振动特性分析。计算不同约束条件、不同铺层方式和铺层层数的复合材料薄壁圆柱壳在线性温度场作用下的各阶固有频率,分析边界约束、铺层角度及铺层层数对结构热振动频率的影响。结果表明,温度效应、边界约束、铺层层数显著影响结构的固有频率,适当的铺层角度会改变结构的固有频率,不同的铺层方式对结构固有频率影响程度不同。这些结论将对复合材料结构设计、抗热设计有一定的指导作用。     

复合材料铺层角度对蜂窝板动态性能的影响

为了提高卫星探测器蜂窝板的动态性能,将蜂窝板中的蒙皮和支撑结构采用复合材料设计。对蒙皮和支撑结构设计了六种复合材料铺层方案,并与常用的铝材结构进行分析对比,利用大型通用有限元分析软件ABAQUS,通过对复合材料件及蜂窝板整体结构的动态性能分析,研究铺层角度对蒙皮、支撑结构及整体蜂窝板刚度的影响,确定了最佳方案,满足航天飞行器基频设计要求。研究工作为蜂窝板的结构优化设计提供了理论依据,对同类航空结构的设计也有很好的借鉴作用。     

铺层比例对复合材料层压板抗冲击性能的影响

复合材料有着比刚度高、耐腐蚀、疲劳性能好等诸多优点,目前在航空航天等领域得到了广泛应用。飞机复合材料结构在制造与使用过程中,不可避免地会受到外来物的冲击(如冰雹、跑道碎石、工具坠落等)。当受到冲击产生内部分层后,其压缩性能会降低40%左右,很大程度上影响到复合材料在飞机结构中的大量使用。复合材料与金属材料相比具备可设计性的优点,可通过铺层比例设计来提高复合材料在不同载荷下的力学性能。为了提升复合材料抗冲击性能,本文采用不同铺层比例的复合材料层压板进行落锤低速冲击与冲击后压缩试验,建立复合材料铺层比例与损伤阻抗性能之间的关系,为复合材料结构设计提供依据。     

飞机金属-复合材料副翼结构优化技术

针对飞机副翼结构,讨论了一种金属一复合结构的联合优化设计方法。用拓扑优化方法得到传力路径并对金属骨架布局进行设计。对于金属部件,采用拓扑优化方法进行概念设计,然后通过尺寸优化等方法对各个具体部件进行详细设计。对于复合材料蒙皮,采用三级优化设计方案,从铺设角、铺层比例、铺层厚度、铺层块形状及位置以及铺层次序等多个方面给出层舍板的设计参数,并且在设计过程中充分考虑了制造约束。     

复合材料机翼结构多约束优化设计

复合材料在航空领域的使用比重在逐年增长,飞机结构的轻量化设计可以通过优化复合材料铺层的厚度及结构的尺寸实现.在对某型飞机机翼结构有限元建模与分析的基础上,以质量轻量化为目标,通过控制结构的位移、应变和扭角等约束条件,结合Nastran的优化设计功能,对机翼结构蒙皮、梁、肋的复合材料铺层厚度和梁缘条的尺寸进行优化设计.结...     

FiberSIM在飞机复合材料壁板设计中的应用

复合材料以其密度低、比强度和比刚度高、疲劳性能好和可设计性,现已广泛应用于飞机的主结构设计中。复合材料结构设计较金属结构复杂,应额外考虑内部铺层结构设计。FiberSIM作为数字化设计制造一体化软件,为复合材料的设计和制造提供全面的解决方案。讨论了FiberSIM辅助机身壁板设计过程中的关键设计点,分析了相关参数对复合材料蒙皮制造仿真结果的影响。     

铺层顺序和垫板对复合材料层压板钉拉脱性能影响分析

机械连接是飞机复合材料结构最重要的连接方式之一,其面外拉脱性能直接影响结构机械连接的强度.本文针对常用的材料和铺层形式,设计相应的试样,开展了铺层方式、材料及金属垫板对复合材料层压板面外拉脱性能影响的试验研究,获取了相应的失效形式.试验结果表明,铺层比例为(40/50/10)具有更高的钉拉脱性能;对复合材料层压板增加金...     

基于整数编码并行遗传算法的复合材料螺旋桨结构优化设计

提出一种针对大型复合材料结构铺层厚度和铺层顺序同时进行优化的整数编码并行遗传算法,并将该优化方法应用于复合材料螺旋桨结构优化问题.首先,在区域划分的基础上,对每一单层设定一个长度控制因子来决定单层的铺设区域,以实现对大型复合材料结构的整体一次性优化.然后对遗传算法进行改进,使之成为一种能同时优化铺层厚度和铺层顺序的高效算法.并采用并行编程语言标准MPI( message passing interface)构建并行编程环境,利用主从式并行遗传算法框架,实现遗传算法在单机多进程上的并行计算.最后针对复合材料螺旋桨结构进行优化设计,以验证该方法的高效性,并分析并行遗传算法的加速效果.     

民机地板以下结构参数变化对复合材料机身适坠性能的影响研究

为了确保乘员在可生存事故中存活,民机结构必须具备适坠特性。复合材料结构坠撞后的材料破坏形式与常规的金属材料破坏有所不同,复合材料民机的适坠性设计需要对地板以下结构参数变化对复合材料机身适坠特性的影响进行深入的评估。这里对某金属材料民机典型机身结构通过刚度等代设计得到复合材料机身简化模型,利用LS-DYNA3D建立了1/4缩比动力学仿真模型,利用该模型考察了行李舱支柱位置、角度、刚度及行李舱高度变化对复合材料机身适坠性能的影响。仿真结果表明地板以下结构参数变化对复合材料机身和金属机身坠撞响应的影响是不同的,考察的参数中行李舱支柱角度、刚度是影响坠撞响应的关键因素。     

复合材料起落架舱门结构优化设计

基于有限元软件ANSYS建立复合材料起落架舱门参数化有限元模型,基于三明治夹芯板理论将蜂窝芯层等效为均质的厚度不变的层板,以蜂窝夹芯高度与复合材料面板各铺层厚度为设计变量,以铺层板、蜂窝夹芯的强度,结构稳定性以及结构刚度为约束函数,以结构质量最轻为目标函数,基于ANSYS优化模块首先选择零阶法进行优化得到粗略解,其次选择一阶梯度优化法进一步对夹层结构进行优化设计,得到最优蜂窝芯子厚度、蒙皮各铺层厚度.     

Design and simulation of dust extraction for composite drilling

Due to its high strength-to-weight ratio, composite materials have been widely applied in aerospace manufacturing. However, some challenges are facing in fabrication and assembly of the parts with composite materials. One of them is how to collect the dwarf and dust generated from the drilling operation, especially in an open environment when the composite parts are assembled, since a large number of holes need generating to rivet the parts together when the parts with composite materials are assembled in an aircraft structure. The efficiency of dust extraction is crucial to the healthy operating environment and the quality of the assembled component. In this paper, three conceptual designs of automatic dust extraction are proposed and compared, and the best design with the hood fastened on the drilling spindle has been selected and analyzed. Its design parameters have been identified; a systematic procedure has been proposed for the design optimization; the process of the dust extraction has been modeled and simulated using the COSMOSFloWorks. Taguchi method is applied to optimize the design. The process of the dust extraction has been validated through animation.     

OPTIMIZATION METHOD FOR VIRTUAL PRODUCT DEVELOPMENT BASED ON SIMULATION METAMODEL AND ITS APPLICATION

Virtual product development (VPD) is essentially based on simulation. Due to computation-al inefficiency traditional engineering simulation software and optimization methods are inadequate toanalyze optimization problems in VPD. Optimization method based on simulation metamodel forvirtual product development is proposed to satisfy the needs of complex optimal designs driven byVPD. This method extends the current design of experiments (DOE) by various metamodeling tech-     

大型复合材料结构实用优化设计技术研究

充分利用复合材料的可设计性,设计出满足结构刚度强度以及气动弹性等性能指标要求且使结构重量更轻的飞行器结构.先应用几何建模软件CATIA进行飞行器尾翼结构几何外形的确定,接着应用大型工程软件Hypermesh进行了其结构的有限元模型的建立,并且应用了区域划分技术,然后在数值计算仿真的基础上,对飞行器结构的各构件几何参数实施了工程优化设计;针对其复合材料的三种经典铺层角度按照一定的铺层比例进行优化设计分析.因此总结出诸多有意义的实际工程应用经验.     

基于ANSYS和ISIGHT的EHA作动筒结构分析与优化

研究了飞机电动静液作动器作动筒的结构分析与优化问题。采用ANSYS软件对EHA的作动筒进行了载荷、模态和压杆稳定性等有限元分析。使用ISIGHT软件,以作动筒的质量最轻和变形最小为目标,同时满足静载荷约束和模态约束,建立了作动筒的优化模型,选用ISIGHT内嵌的NLPQL序列二次规划算法进行了优化设计,得出了优化结果。研究结果表明,用ISIGHT进行优化设计,工作量小,求解问题简单方便,得到的作动筒设计参数更为合理。     

基于ANSYS的陶瓷过滤机支撑机架肋板的优化设计

针对陶瓷过滤机肋板设计中存在的问题,借助优化理论分析了肋板工作受力情况,利用ANSYS软件对肋板进行优化设计。结果表明,通过ANSYS软件31次迭代优化能够使材料成本降低约32%,为陶瓷过滤机的实际改造提供了参考依据。     

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。