基于分级优化的复合材料带加强筋板屈曲优化

对工程中常用复合材料带加强筋板结构的优化方法进行研究。由于优化变量较多且变量类型涉及离散型和连续型两种类型,因此优化中引入了分级优化方法。在结构质量一定的前提下,确定各加强筋最优的位置、截面尺寸、铺层数及铺层顺序,以提高整体结构的抗屈曲性能。代理层的引入使优化问题可以在先不考虑铺层顺序的情况下对其余变量进行优化,通过析因实验设计方法确定剩余变量中影响结构屈曲载荷的主要变量和次要变量,并分别在第1、2级优化中独立对两类变量进行优化,在优化过程中根据变量的类型及取值范围,对部分变量建立径向基代理模型以提高优化效率。第3级优化采用遗传算法对铺层顺序进行优化。优化结果表明:优化后方案比原方案的抗屈曲能力提高了3.21倍。     

复合材料加筋板屈曲/后屈曲分析的应用

研究了复合材料加筋板翼面结构稳定性问题,分析了加筋板在压缩和剪切等载荷作用下的稳定性安全裕度。利用计算复合材料加筋板屈曲及后屈曲承载能力的方法,验证复杂受载情况下结构的稳定性。验证对象是一个优化后的满足强度、刚度和工艺制造要求的复合材料机翼。该机翼在各种载荷工况下的内力分布情况由MSC.NASTRAN分析得到,通过本文提出的方法得到每块蒙皮的稳定性承载能力。然后给出复合材料层合板在复杂载荷下的屈曲及后屈曲安全裕度的计算准则,验证优化后的机翼加筋板是否满足稳定性设计要求。该方法可作为约束集成到结构优化系统平台中。     

复合材料加筋壁板长桁终止端混合连接设计分析

对缩短胶接面长度以提高起裂载荷的复合材料加筋壁板长桁终止端新型混合连接设计进行了研究。采用经试验验证的有限元方法,对长桁终止端混合连接的传载与失效机制进行分析,并研究了胶接面长度对结构起裂载荷的影响规律。研究结果表明：新型混合连接设计中紧固件提供的法向约束以及剪切载荷传递路径可显著提升终止端结构的起裂载荷,并增强终止端处界面的抑制损伤扩展能力;结构的起裂载荷随着胶接面的缩短而提高;当胶接面前缘退至连接区末排紧固件之后,可避免结构在最终破坏前发生界面失效,结构强度由蒙皮的机械连接强度决定。     

Computational strategy for multiobjective optimization of composite stiffened panels

This paper presents a multiobjective optimization methodology for composite stiffened panels. The purpose is to improve the performances of an existing design of stiffened composite panels in terms of both its first buckling load and ultimate collapse or failure loads. The design variables are the stacking sequences of the skin and of the stiffeners of the panel. The optimization is performed using a multiobjective evolutionary algorithm specifically developed for the design of laminated parts. The algorithm takes into account the industrial design guidelines for stacking sequence design. An original method is proposed for the initialization of the optimization that significantly accelerates the search for the Pareto front. In order to reduce the calculation time, Radial Basis Functions under Tension are used to approximate the objective functions. Special attention is paid to generalization errors around the optimum. The multiobjective optimization results in a wide set of trade-offs, offering important improvements for both considered objectives, among which the designer can make a choice.     

Semi-analytic probabilistic analysis of axially compressed stiffened composite panels

The influence of scattering input parameters on the response of axially compressed stiffened composite panels is investigated. In order to estimate the stochastic distributions and the correlations between the first buckling load (or local buckling load), the global buckling load and the collapse load, a semi-analytic probabilistic analysis is performed. A procedure is given for evaluating the probability of failure of stiffened panels from the determined stochastic distributions, and probabilistically justified safety factors are derived.     

先进复合材料格栅加筋板的总体稳定性分析

通过建立复合材料格栅结构单元的基本力学假设和分析模型, 推导了一种新的等效刚度计算方法, 用于分析复合材料格栅加筋板的总体稳定性。该方法充分考虑了筋条和面板的相互作用和中面偏移效应, 并具有通用性。结合Rayleigh-Ritz能量近似法, 推导出了求解加筋板总体屈曲载荷的通用特征方程; 分析了多种算例, 并与修正平铺法进行了比较, 结果吻合得很好。      

复合材料加筋板长桁终止端失效机制

由于设计要求或设计限制条件, 壁板的长桁常常在翼肋或机身框附近、 机翼的前后梁附近、 机翼与机身的开口附近、 机翼的油箱附近等部位终止。在面内载荷作用下, 截面形状突变和传载路径偏移在端头处会产生应力集中, 极易引起缘条/蒙皮界面脱胶分层。对三种构型的长桁终止端典型件在单向拉、 压载荷下的破坏机制进行了试验研究与数值模拟, 结果表明, 拉伸时的失效是由面外剥离应力与层间剪应力的共同作用所致, 而压缩时的失效主要是由层间剪应力所致。     

含离散源损伤复合材料加筋板的拉伸特性

通过对含有离散源损伤的复合材料加筋板的拉伸试验和有限元模拟,研究了离散源损伤的损伤扩展与破坏特性。结果表明:复合材料加筋板的离散源损伤用穿透蒙皮切断桁条的切口来模拟是合适的,蒙皮上的穿透切口前端有很高的应力集中,桁条被切断导致加筋板传力路线改变;基于Hashin失效准则的渐进损伤有限元数值模拟方法,可以有效地模拟含切口加筋板的宏观损伤扩展和破坏过程,计算结果与试验值吻合较好。      

Optimum design for buckling of plain and stiffened composite axisymmetric shell panels/shells

The buckling of plain and discretely stiffened composite axisymmetric shell panels/shells made of repeated sublaminate construction is studied using the finite element method. In repeated sublaminate construction, a full laminate is obtained by repeating a basic sublaminate, which has a smaller number of plies. The optimum design for buckling is obtained by determining the layup sequence of the plies in the sublaminate by ranking, so as to achieve maximum buckling load for a specified thickness. For this purpose, a four-noded 48-dof quadrilateral composite thin shell element, together with fully compatible two-noded 16-dof composite meridional and parallel circle stiffener elements are used.     

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型.该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式,在层内采用应变描述的失效判据,结合相应的材料性能退化方案,通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化.在层间以及筋条与层板间加入界面元,模拟层间区域的情况,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律.通过对数值模拟结果与实验数据的比较,验证了模型的合理性和有效性.同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响.     

Formulation of an improved smeared stiffener theory for buckling analysis of grid-stiffened composite panels

An improved smeared stiffener theory for stiffened panels is presented that includes skin-stiffener interaction effects. The neutral surface profile of the skin-stiffener combination is developed analytically using the minimum potential energy principle and statics conditions. The skin-stiffener interaction is accounted for by computing the bending and coupling stiffness due to the stiffener and the skin in the skin-stiffener region about a shift in the neutral axis at the stiffener. Buckling load results for axially stiffened, orthogrid, and general grid-stiffened panels are obtained using the smeared stiffness combined with a Rayleigh-Ritz method and are compared with results from detailed finite element analyses.     

Post-buckling behaviour of flat stiffened composite panels: Experiments vs. analysis

The paper is focused on the development of a validated procedure for modelling, by means of Finite Element tools, the post-buckling behaviour of stiffened composite flat panels subjected to compression loads. The experimental data for model validation were collected during a test campaign on two sets of CFRP flat stiffened panels.     

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型。该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式, 在层内采用应变描述的失效判据, 结合相应的材料性能退化方案, 通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化。在层间以及筋条与层板间加入界面元, 模拟层间区域的情况, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律。通过对数值模拟结果与实验数据的比较, 验证了模型的合理性和有效性。同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响。     

基于蚁群算法的光学膜系初始结构优化设计

本文在分析和研究蚁群算法原理、算法实现过程的基础上,针对多膜料设计,以1200～1600nm波段内带通滤波器、1200～1600nm波段内截止滤波器、600～1000nm波段内截止滤波器和400～800nm波段内截止滤波器等4个滤波器实例为优化对象,以理论反射率和实际反射率之差最小为目标函数,采用蚁群算法和MATLAB语言编制了膜系初始结构优化设计的仿真计算程序,计算机仿真结果准确,证明了蚁群算法应用于膜系设计的可行性.     

考虑脱粘的复合材料加筋板屈曲后屈曲及承载能力数值分析

建立了复合材料层合加筋壁板的屈曲后屈曲有限元分析模型。该模型采用界面单元以有效模拟筋条和壁板之间的连接界面, 连接界面和复合材料层板分别采用Quads和Hashin失效准则作为失效判据, 引入材料刚度退化模型, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料加筋壁板在压缩载荷下的前后屈曲平衡路径及破坏过程。数值分析结果与实验结果吻合良好, 证明了该方法的合理有效性。详细探讨了筋条尺寸及界面单元强度等参数对加筋壁板屈曲后屈曲行为及承载能力的影响规律, 研究表明增加筋条截面惯性矩及筋条密度在一定程度上能有效提高加筋板的屈曲载荷与极限强度, 筋条密度增加到一定程度会引起结构破坏形式由失稳破坏?湮顾跗苹? 界面强度与铺层方式对极限强度有重要影响, 界面脱粘是引起加筋板最终破坏的重要因素。      

复合材料加筋壁板结构选型设计

为确定某型飞机平尾壁板结构截面尺寸参数,验证计算分析方法是否合理、有效,通过有限元屈曲分析与试验相结合的手段,对复合材料加筋壁板轴压稳定性进行研究。研究了复合材料加筋壁板在相同支持条件下,提高加筋壁板筋条截面积占总截面积的比例对复合材料加筋壁板初始屈曲和承载能力的影响。试验结果表明:试验结果与计算结果较为接近,说明计算中采用的分析方法和分析模型准确有效;在筋条截面积比例提高3.0%的情况下,屈曲载荷提高10.0%左右。所得结论可指导复合材料加筋壁板设计在型号研制中的应用,为初步确定平尾壁板结构截面形式和尺寸提供参考。      

复合材料整体加筋板轴压后屈曲失效评估方法

在飞机结构设计中,为高效完成复合材料加筋板结构设计,亟需一种快速有效的复合材料整体加筋板后屈曲失效评估方法。采用商业有限元软件ABAQUS建立了加筋板有限元模型,研究了复合材料整体加筋板的轴压后屈曲失效评估方法,即“整体-局部”法。通过对单筋条壁板后屈曲的失效分析发现,“整体-局部”法可得到初始脱胶时的位移和载荷值以及较准确的破坏载荷值,是一种能有效确定加筋板后屈曲失效情况的快速评估方法,对提高结构设计效率和减轻飞机结构质量具有重要的工程意义。     

Ant Colony Optimization for dispersed laminated composite panels under biaxial loading

The current study aims to show the benefits of dispersed laminates (laminates in which the orientation angles are not limited to the conventional, 0°, ±45° and 90°, orientations) over conventional ones, in terms of stiffness, buckling resistance and strength, in structural applications. The Ant Colony Optimization algorithm is used with strength constraints to find the best candidate to achieve this goal. A study is conducted to select the most suitable failure criterion among three common ones.The methodology is used for two loading cases: biaxial compression and biaxial tension. In the case of biaxial compression, the problem is formulated to maximize the critical buckling load whereas with the biaxial tension, the formulation is to minimize the failure index. For both loading cases, the methodology succeeds in improving the response of dispersed laminates with respect to the conventional ones. These results support the movement of the composite industry toward using dispersed laminates.     

压缩载荷下复合材料整体加筋板渐进损伤非线性数值分析

建立了考虑脱粘的复合材料整体加筋板渐进损伤有限元分析模型。该模型采用界面单元模拟筋条与壁板之间的连接界面, 连接界面和复合材料层板分别采用Quads准则和Hashin准则作为失效判据, 基于ABAQUS软件, 建立了含连续损伤状态变量的材料刚度退化方案。基于该模型, 采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下复合材料整体加筋壁板在考虑初始几何缺陷时的破坏过程, 分析了结构相应失效模式的细观损伤机制; 详细讨论了轴向刚度比对结构承载能力及破坏模式的影响。结果表明: 考虑脱粘损伤的有限元模型能有效模拟加筋板的破坏过程; 在加筋板铺层设计合理的情况下, 增加筋条与壁板刚度比能有效提高加筋板截面单位面积的承载能力。