龙门式复合材料自动铺丝机研发设计

先进复合材料具有高比强度、抗疲劳、耐腐蚀、设计制造一体化的特点,其在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一,而用于制造复合材料整体构件的自动铺丝设备成为现代飞机制造的关键设备。按照铺放16纤维丝束的要求,开发了具有自主知识产权的龙门式自动铺丝设备。     

无人机复合材料尾翼结构的优化设计

建立了无人机复合材料尾翼结构的分析和优化模型,在结构初始尺寸的基础上,首先以复合材料失效因子和金属结构许用应力为约束,开展了以结构质量最小为目标,以各部件厚度为设计变量的优化设计。在尺寸优化结果的基础上,采用等效弯曲刚度法优化得到了层合板的最优铺层顺序。优化结果表明:优化后尾翼的结构质量明显降低,静力计算结果满足设计要求。     

复合材料无人机弓形起落架有限元仿真与优化

针对目前存在的问题及需求,根据某型号无人机总体要求,进行了复合材料起落架结构设计与有限元仿真。根据起落架的承载特点进行了复合材料弓形梁减震结构铺层初步设计。建立了起落架弓形梁有限元优化模型,对复合材料铺层厚度进行优化。优化目标为结构重量最小。结合有限元计算结果和实际制作工艺,确定了最终的铺层厚度。最终计算结果表明,优化后的结构满足强度刚度要求,结构重量减小27.2%,提高了材料使用效率。     

复合材料蜂窝夹层结构翼梁优化设计

利用三明治夹芯板理论,对蜂窝夹层结构翼梁进行预先等效处理,把夹层板用当量层合板模拟,将蜂窝芯子看作一特殊单层,则复合材料蜂窝夹层梁模拟成了复合材料层合结构梁.以质量最轻为目标函数,以材料的设计许用应力和单元满足应变要求作为约束函数,利用MSC.NASTRAN对当量复合材料层合结构梁进行尺寸优化设计,得到最优蜂窝芯子厚度、各铺层角度的铺层厚度.按照层合板铺层设计一般原则得到合理的单层铺层角度以及铺层顺序.     

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.     

具有复合层结构的谐波减速器柔轮的性能优化设计研究

针对谐波减速器的柔轮存在着易发生疲劳的问题,从复合层的本构关系出发,进行了复合材料铺层角和叠层次序的力学性能研究。提出了以铺层角度和铺层顺序为优化变量,Tsai-Wu材料失效准则为约束条件,单层层内应力最小为优化目标的数学模型,采用粒子群优化算法得到了最优的铺层角和叠层顺序。对采用优化设计后的谐波减速器进行了瞬态动力学分析,分析结果表明:与原结构相比,具有复合层结构柔轮的最大Von Mises应力降低了12.5%,最大应力位置由柔轮的齿根部变为柔轮齿圈内表面,在一定程度下可提高柔轮的使用寿命。     

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.     

复合材料火箭炮定向器结构优化

复合材料在火箭炮定向管中的应用有利于减小结构质量,提高火箭炮战术技术性能。以某火箭炮的定向器为研究对象,建立了定向器的有限元模型,以第一阶模态固有频率为目标函数,以原有质量不变为约束条件,利用Hyper Works对复合材料进行优化。优化内容包括复合材料铺层角度和铺层厚度。     

复合材料控制臂的多区域铺层结构优化

使用碳纤维复合材料设计某乘用车悬架控制臂,对4个区域的铺层结构进行优化设计.首先以各角度铺层厚度为设计变量对控制臂模态频率、质量和各工况应变能进行优化;然后以前三阶模态频率为目标,弯曲刚度参数作为设计变量优化铺层顺序.针对设计变量间存在的工艺约束条件使样本空间不规则且优化变量较多的问题,利用聚类分析进行试验设计确定训练近似模型需要的样本点,并用高斯过程回归方法建立近似模型以减少计算时间,验证模型R2在0.9以上.两步优化后,对比复合材料初始铺层各性能指标均有不同程度改善,复合材料质量减少11.4％;对比原钢制控制臂,各性能均满足要求,质量降低37.1％.     

复合材料尾梁开口区有限元优化设计

利用有限元分析方法,计算直升机尾梁连接平尾开孔区域的应力分布,并以此为依据设计并优化复合材料结构替代原金属结构。对比两种不同材料的有限元分析结果,发现复合材料层压板可以替代金属,作为直升机尾梁及开口区结构材料,并且可以有效减轻结构重量。利用一种新的模块化铺层替代方法对复合材料铺层厚度进行优化设计,得到合理的铺层优化方案。     

铺层参数对复合材料电池箱盖模态和稳定性的影响

为满足汽车在运动过程中电池箱壳体振动小和噪声低的要求,现以某款新能源汽车电池箱盖的玻璃纤维复合材料铺层设计为研究对象,通过有限元分析软件对电池箱盖纤维铺层方案进行模态及强度分析,探究复合材料铺层结构对电池箱盖固有频率和稳定性的影响。分析结果表明:当铺层厚度和铺层顺序保持不变时,增加±45°纤维铺层比例,电池箱盖的固有频率和稳定性能显著提高;保持铺层厚度和铺层比例不变时,铺层顺序对电池箱盖模态的影响效果不明显,但对最大应力值有很大的影响,0°纤维铺层角度在最外侧电池箱盖受到的最大应力远低于±45°;随着纤维铺层厚度的增加,电池箱盖的固有频率和稳定性能不断提高。     

基于碳纤维复合材料的机器人臂杆优化设计

为了提高机器人的负载自重比,采用碳纤维复合材料替换铝合金材料,对机器人臂杆进行优化设计.通过准各向同性铺层方式测试碳纤维复合材料机器人臂杆的性能,并与铝合金材料机器人臂杆进行对比,确定碳纤维复合材料机器人臂杆的铺层厚度.使用邻域培植遗传算法对铺层角度进行优化,根据铺层设计的经验性原则筛选得到最优解.通过对比确认,优化设计后机器人臂杆的质量减小39.6％,轻量化效果明显.     

碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板综合优化

采用多级优化方法对碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板进行优化设计,首先,采用拉丁超立方方法选取试验样本点,利用移动最小二乘法拟合近似代理模型,在代理模型基础上采用自适应响应面优化方法优化基本铺层厚度;然后,结合复合材料制造约束条件,利用Optistruct对铺层顺序进行优化,得到最佳铺层设计方案。经过多级优化设计后,钢板中心孔处应力分布更合理,最大Mises应力减小了56.6%。     

复合材料加工机床

复合材料加工机床是目前先进复合材料数字化制造的技术热点。复合材料的自动铺放机床主要分为纤维缠绕机床和自动铺放机床2种,自动铺放机床再可分为自动铺带机床和自动纤维铺放机床2种。描述了各种复合材料加工机床的结构以及纤维束的加热和切割、纤维丝束的输送、纤维铺放和紧压3项技术难点,介绍了模块化铺带头、纤维铺放机器人2项技术的发展趋势。     

基于纤维包覆式气动结构的柔性手术臂刚度调节性能研究

针对未来微创手术操作臂的发展需求,提出了一种利用负压原理来增强离散结构间相互作用以实现柔性手术操作臂刚度调节的方法。据此设计制作了可包覆于管状柔性手术臂外表面的气动型多层纤维束编织结构,可通过抽真空使被密封的纤维束夹层内产生负压,增大轴向交错叠加的纤维丝之间的挤压力与摩擦力,从而起到刚度增强的作用。研究了大变形手术臂抗弯刚度的半解析计算方法。开展了该变刚度柔性手术臂结构性能的试验研究,探索了真空度、纤维丝结构参数(丝径和纤维丝表面粗糙度)、封装膜厚度及纤维层截面等因素对手术臂刚度的影响规律,为柔性手术臂的变刚度设计、优化提供了依据。     

复合材料加工机床

复合材料加工机床是目前先进复合材料数字化制造的技术热点。复合材料的自动铺放机床主要分为纤维缠绕机床和自动铺放机床2种,自动铺放机床再可分为自动铺带机床和自动纤维铺放机床2种。描述了各种复合材料加工机床的结构以及纤维束的加热和切割、纤维丝束的输送、纤维铺放和紧压3项技术难点,介绍了模块化铺带头、纤维铺放机器人2项技术的发展趋势。     

基于分级优化方法的碳纤维复合材料笔记本电脑后盖轻量化设计

为解决压力作用下笔记本电脑后盖变形后对LCD屏产生破坏和后盖结构过重的问题,基于分级优化方法,建立了静压工况下笔记本电脑后盖数值计算模型.通过使用碳纤维复合材料,并联合运用铺层角度优化、自由尺寸优化、尺寸优化和铺层次序优化的分级优化方法,使笔记本电脑后盖质量由157g降至90g,笔记本后盖最大变形量由18.2mm降至6.5mm,LCD屏最大压应力由12.1MPa降至8.4MPa.     

基于零阶优化方法的无人机复合材料进气道结构优化与分析

在综述优化设计理论研究的基础上,运用ANSYS分析软件,采用零阶优化方法,对某型无人机进气道复合材料层合板结构进行初始铺层的强度和刚度分析,在此基础上对其铺层厚度和铺层比例进行优化.采用两种优化方案,一种是在载荷一定的情况下求得尽可能轻的重量;另一种是在厚度一定的情况下调整铺层比例,使结构的承载能力更强.在得到ANSYS优化结果后再对其进行修正.优化结果显示,通过优化能进一步减轻结构重量,增强结构的承载能力.     

基于ANSYS的碳纤维复合材料传动轴失效分析

为了研究铺层角度、厚度以及顺序对碳纤维复合材料失效模式的影响规律,本论文运用有限元软件ANSYS模拟复合材料在不同铺层方案下的失效模式。研究发现铺层角度和铺层顺序均对复合材料的失效具有较大的影响。在铺层角度为60°—70°之间出现应力最小值,其失效可能性比较低;在铺层顺序上,采用45°在复合材料底层比其他方案更减少其失效性。将运用此有限元方法能更有效,更直观的分析碳纤维复合材料的失效模式,并能给某型号风机传动轴铺层方案提供参考价值,从而提高传动轴的使用寿命。     

变角度自动铺丝制造缺陷特性及影响因素的研究进展

自动铺丝作为一种先进的复合材料自动化成型技术被广泛应用于航空航天等领域,其中采用变角度自动铺丝能够提升航空航天结构件的设计空间,对于提高构件整体力学性能具有重要的意义。但目前该技术的加工工艺并不成熟且在成型过程中不可避免产生制造缺陷,对构件的力学性能带来不利的影响。针对变角度自动铺丝成型过程中的制造缺陷特性及其主要影响因素进行综述,介绍了自动铺丝的工作原理及变角度铺丝的优势,分析了褶皱、间隙和重叠缺陷的形成机制及其对变刚度层合板力学性能的影响,深入探讨了变角度铺丝制造缺陷的影响因素类型及作用机理,并论述了制造缺陷的抑制方法,最后总结了现阶段变角度自动铺丝技术存在的不足,并对该技术的未来研究趋势进行了展望。