铺设角度与铺层顺序对层合板稳定性的影响

以层合板结构的临界屈曲载荷系数最大化为优化目标,基于改进型模拟退火算法对层合板结构铺设角度和铺层顺序进行优化。由于层合板结构的铺层角度是离散变量,模拟退火算法适合求解离散变量的优化问题。利用模拟退火算法优化层合板铺层,在算法内采用并行计算、引入记忆功能同时设置双阈值终止准则,有效地提高了优化过程的收敛速度,同时避免优化过程中出现局部最优解。以临界屈曲载荷系数作为目标函数,选取复合材料层合板的铺设角度顺序为设计变量,采用改进的模拟退火算法得出复合材料层合板的最优铺设角度以及铺层顺序。     

复合材料层合板声功率及灵敏度研究

采用分层理论结合有限元模型分析复合材料层合板结构的振动特性,并用声辐射模态理论进行结构声辐射分析。在此基础上,分析声功率关于设计参数的灵敏度,推导声功率灵敏度的表达公式。以四层复合材料层合板为例,着重对声功率关于层合板结构铺层角度和铺层厚度的灵敏度进行了分析研究。数值计算结果显示在层合板基频处,辐射声功率达到最大值,同时在该处灵敏度有明显的升降过程。另外,对于低噪声层合板应以±45°对称的铺设将是最为恰当的设计方案。     

基于改进模拟退火算法的复合材料层合板频率优化

针对复合材料层合板频率优化问题,结合可行规则法和直接搜索模拟退化算法,提出了一种自适应模拟退火(SA)改进算法。层合板优化目标是基频、频率带隙以及给定基频和带隙约束的层合板厚度。设计变量包括铺层角度和铺层数两种离散变量。改进算法的自适应新点产生模块采用依赖温度的动态调整搜索半径,改善了直接搜索模拟退化(DSA)算法易陷入局部极值的缺陷,而可行规则法的引入提高了SA算法求解约束问题的效率和简易性。采用Ritz法进行频率响应分析以考虑弯扭耦合影响。不同铺层数、角度增量和长宽比时的层合板3类算例结果显示:改进算法能有效求解层合板频率优化,可获得更多或更好的铺层顺序全局优化解。     

面内线性变化载荷作用复合材料层合板的振动与屈曲优化

采用广义微分求积（GDQ）法开展了不同边界条件下承受面内线性变化载荷作用复合材料层合板振动与屈曲的分析与优化。针对GDQ法求解面内线性变化载荷工况复合材料层合板屈曲问题存在计算振荡、不收敛现象,提出载荷扰动策略实现了GDQ法对复合材料层合板屈曲问题的稳定高效求解。基于基础圆频率和临界屈曲载荷系数的归一化指标,分析了铺层角度对复合材料层合板综合性能的影响,并结合直接搜索模拟退火算法开展了复合材料层合板的铺层顺序优化。结果表明:铺层角度变化对屈曲性能的影响明显强于频率特性;面内线性变化载荷中,以弯曲载荷作用下复合材料层合板的优化综合性能受边界条件变化的影响最小,而优化铺层角度受边界条件变化的影响最大。研究结果为复杂载荷作用下复合材料层合板的设计提供了参考。      

基于灵敏度分析的复合材料层合板优化设计

工程结构中的复合材料层合板的几何参数往往具有随机性质.如何研究随机参数层合板的灵敏度,并对参数进行优化分析,这对正确估计结构设计的可靠性有着非常重要的意义.根据层合板的一阶剪切理论,采用样条有限元法,推导并建立了层合板的振动方程,刚度矩阵,质量矩阵,比例阻尼矩阵以及求解反对称层合板响应灵敏度的计算公式,在基于灵敏度分析的基础上,进行了复合材料层合板的基频分析和优化设计,并用网格法计算最佳铺层角.数值算例验证了算法的有效性.     

纤维混杂铺层对无伞空投箱抗冲击性的影响

目的 对无伞空投箱所用的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维/环氧树脂体系纤维混杂铺层的复合材料层合板进行研究,以在低成本下提高实现效果。方法 复合材料层合板分为10层,采用层间混杂结构,通过改变混杂比、铺层角度及铺层顺序,设计148种铺层方案,利用ANSYS–APDL软件分析3种参数变量对层合板拉伸性能及抗弯性能的影响。结果 沿主要受力方向铺设纤维,碳纤维层在外侧、玻璃纤维层集中在中心,且玻璃纤维层体积分数为40%时,材料具有最高的性价比。结论 针对混杂纤维复合材料层合板,通过调整混杂比得出碳/玻璃混杂纤维复合材料性能较好,通过调整铺层角度得出纤维铺设角度越接近受力方向其性能效果越好,通过调整铺层顺序得出不同混杂比、铺层角度下的最佳性能结构。     

复合材料层合板结构振动声辐射优化

通过有限元法计算复合材料层合板结构的振动特性,然后采用瑞利积分进行结构的声辐射分析.在此基础上,给出考虑振动声辐射特性的复合材料层合板的优化设计模型,研究简谐激励力下的结构灵敏度计算,重点推导了声学灵敏度分析公式,并采用序列线性规划方法进行了优化求解.数值算例表明通过层合板铺层厚度和角度的优化可以有效降低结构的振动声辐射,同时验证了灵敏度算法的精度和优化方法的有效性.     

基于可靠性的复合材料结构稳定性约束优化设计

基于结构的可靠性, 研究了复合材料结构的稳定性约束优化设计方法。考虑材料及载荷的不确定性, 通过结构可靠性分析的响应面法和有限元法的结合, 对复合材料结构稳定性进行可靠性分析; 利用优化软件iSIGHT集成可靠性分析程序, 实现了以铺层层数及铺层角度为设计变量的复合材料结构稳定性约束问题的可靠性优化方法。对层合板及层合圆柱进行算例分析, 验证了本文中可靠性优化方法的有效性, 为工程实际中的复合材料结构稳定性约束优化设计问题提供借鉴。      

基于低能量冲击损伤阻抗的复合材料薄壁结构铺层顺序设计

建立了有效的复合材料层合板结构冲击损伤分析方法,层合板面内损伤采用改进的Chang/Chang 失效准则做判据,得到面内各类损伤形式。层间损伤采用与Mixed-Mode粘接元等效的TIEBREAK接触模拟。利用此分析方法,从复合材料薄壁结构设计需要出发,研究了在低能量冲击下,铺层的层间角度、铺层方向、铺层重叠对层合板结构冲击损伤阻抗的影响规律,并对它们的综合影响进行了总体分析,得到了能提高层合板结构损伤阻抗的铺层顺序设计指导。最后用该设计指导对某种铺层结构进行了重新设计和有限元模拟,验证了该设计指导的可行性和有效性。     

复合材料层合板稳定性的铺层优化设计

提出采用神经网络和遗传算法来优化设计复合材料层合板,建立了满足铺层结构稳定性的优化铺层体系,优化体系分两步进行优化,第一步,当给出总的铺层数时,由已建立的神经网络模型确定规定角度下的铺层数,确立基本的铺层结构,第二步,采用遗传算法优化这种铺层结构下的铺层顺序,最终在同样重量下获得了最佳的结构铺层。     

Strength improvement to composite T-joints under bending through bio-inspired design

This paper shows that a bio-inspired design methodology is an effective method to strengthen composite T-joints under bending loading. The ply angles in the laminate of a carbon/epoxy T-joint were tailored using an optimisation program mimicking the evolutionary process of adaptive growth in which the wood microfibril orientation in and around the tree branch-trunk joint is tailored to the prevailing bending loading condition. A single objective optimisation program with four ply angle input variables was used to compute the optimal design of the ply stacking pattern which minimised the interlaminar tensile stress in composite T-joints where delamination damage is initiated. FEA and experimental testing were performed to compare the structural properties of the bio-inspired T-joint against a base-line T-joint with a quasi-isotropic ply stacking pattern. The bio-inspired T-joint exhibited a higher bending failure initiation load (improved by 40%) and elastic strain energy capacity (increased by 75%) than the base-line T-joint.     

Reliability-based optimization of fibrous laminated composites

This paper is concerned with the optimum design of multiaxial fiber reinforced laminate systems under probabilistic conditions of loads and material properties. A multiaxially laminated composite is treated as a structural system with each ply contained in the composite as one element. The Tsai-Wu failure criterion is adopted as the limit state function of a unidirectional ply. It is assumed that the system failure occurs when any one of the plies in a laminate system fails. The multiple-check-point method is successfully applied to evaluate the system reliabilities of multiaxial laminates under probabilistic in-plane stresses. An optimization problem is defined to find the optimal number of fiber orientation axes, optimum orientation angles, and optimum ply ratios which yield the highest system reliability.     

Optimal lay-up design of variable stiffness laminated composite plates by a layer-wise optimization technique

The optimal lay-up design for the maximum fundamental frequency of variable stiffness laminated composite plates is investigated using a layer-wise optimization technique. The design variables are two fibre orientation angles per ply. Thin plate theory is used in conjunction with a p-element to calculate the fundamental frequencies of symmetrically and antisymmetrically laminated composite plates. Comparisons with existing optimal solutions for constant stiffness symmetrically laminated composite plates show excellent agreement. It is observed that the maximum fundamental frequency can be increased considerably using variable stiffness design as compared to constant stiffness design. In addition, optimal lay-ups for the maximum fundamental frequency of variable stiffness symmetrically and antisymmetrically laminated composite plates with different aspect ratios and various combinations of free, simply supported and clamped edge conditions are presented. These should prove a useful benchmark for optimal lay-ups of variable stiffness laminated composite plates.     

铺陈角度对芳纶/玻璃纤维层合板抗冲击性能的影响

采用Abaqus软件建立了圆锥形子弹正冲击芳纶/玻璃纤维复合材料层合板的有限元模型,将模拟结果与文献中的实验结果相比较验证了模型的可靠性,进而研究子弹以不同的速度对不同铺陈角度下的复合材料层合板冲击后初始速度与剩余速度的关系以及层合板的破坏特征。结果表明:当层合板铺陈角度不变且子弹击穿层合板时,子弹初始速度与剩余速度接近于线性关系;在子弹未穿透层合板时,[0/90°]铺陈角度的层合板抗弹性能最好,在子弹以600~900 m/s的较高速度穿透层合板时,[45/-45°]铺陈角度的层合板吸能效果最好;由破坏特征图表明铺陈角度对层合板的损伤面积和破坏机制影响不大。该研究可为防护装备的设计和优化提供参考。     

Optimization of laminated composite structures using a bilevel strategy

This paper aims to obtain the optimal design of laminated composite structures. The design variables are specified as the ply angles and the laminate thicknesses. The objective is to obtain a structure with minimum weight that is capable of carrying a given set of static external forces without failure. The solution strategy consists of addressing the problem sequentially at two levels, each having a different algorithm and a separate set of design variables. The optimization techniques use a combination of sensitivity analysis combined with optimality criteria and mathematical programming. The adequacy of the solution is assured by constraints limiting stresses and displacements.     

基于新修正偶应力理论的斜交铺设层合Kirchhoff板模型与尺度效应

基于新修正偶应力理论, 建立了只含有1个尺度参数的复合材料斜交铺设层合Kirchhoff板模型, 并分析了铺设角对尺度效应的影响。采用虚功原理推导了任意铺设角的层合Kirchhoff板的弯曲方程和边界条件。通过新模型给出了四边简支反对称角铺设微尺度层合Kirchhoff板的解析解。结果表明:细观尺度各向异性层合板的尺度效应并不仅仅受其几何尺寸的影响, 还受铺设角的影响;铺设角对尺度效应可能产生非常显著的影响。      

变角度纤维层合板的弯曲问题研究

变角度纤维层合板是一种新型的变刚度结构,该文将对其弯曲问题进行研究。假定每层的纤维方向角沿板的长度方向按照线性变化,基于经典层合板理论,导出了变角度纤维层合板弯曲问题的控制方程,采用有限元线法进行求解,获得了任意边界条件下变角度纤维层合板弯曲问题的数值解。与ABAQUS有限元计算结果的对比,验证了该文采用有限元线法的正确性。通过数值算例分析了边界条件、铺层方式、纤维方向角以及长宽比等参数的变化对变角度纤维层合板弯曲性能的影响。研究结果可为变角度纤维层合板的设计提供一定的参考。