钢材与复合材料多形式加筋平板透声性能消声水池实测分析

以复合材料声呐导流罩加筋板结构多目标综合优化为工程背景,开展消声水池模型插入损失测试,横向对比分析钢制桁架筋材与四种复合材料筋材加筋板近场透声特性,综合讨论了筋材材质、筋材结构形式以及入射角度对加筋板近场透声性能的影响。测试及分析结果表明:桁架式加筋板近场透声性能优异且稳定;细矮型筋材可提高加筋板整体透声性能。研究结果为声呐导流罩复合材料加筋板结构的优化设计提供了参考。     

考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化

提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法,系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式,考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响,引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库,以铺层参数为中间变量,利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法,构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现,将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法,本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明,采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法,在结构重量不变的前提下,屈曲载荷提高约17%,且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。      

复合材料蒙皮加筋壁板结构成本-质量优化设计

介绍了复合材料整体化结构的制造成本估算方法。将成本作为主要的优化设计参,针对蒙皮加筋壁板结构采用共固化成型技术,考虑结构约束及与成型工艺相关的制造约束,提出了在压力和剪切力作用下复合材料蒙皮加筋壁板结构基于成本2质量平衡的优化设计方法。以蒙皮 T形加筋为例,分别选取最小质量和最小成本为优化目标参量验证工时估算模型的有效性。讨论了7种常见形状加筋整体化壁板结构的制造成本和质量,估算值与实验值吻合较好。研究结果表明,蒙皮T形筋制造工时最短而质量仅高于最小质量J形结构的0.5%,是基于成本2质量平衡优化的最佳选择结构。研究结果为复合材料整体化蒙皮加筋结构设计提供指导。     

一种基于复合材料加筋板结构效率的稳定性优化方法

提出一种以承载效率最高作为目标的新设计方法, 对复合材料加筋板的承载能力进行优化。讨论了不同压缩与弯曲刚度的匹配模式与加筋板临界失稳载荷的关系。将全局失稳载荷、局部失稳载荷与静载荷的接近程度作为结构承载效率的量化标准, 通过静载荷的控制, 使结构的稳定性向着效率最高的方向优化。以宏观的加筋板压缩与弯曲刚度参数作为设计变量, 构建了一种可用于结构效率优化的代理模型, 避免了局部最优点的出现, 更便于数值寻优。通过有限元分析验证, 优化后壁板的临界失稳载荷与所施加的静载荷基本一致, 反映出较高的效率, 从而验证了该方法的可靠性。      

基于铺层设计特征的碳纤维增强复合材料悬架控制臂结构优化

基于铺层设计特征,提出一种使用碳纤维复合材料对承载结构件进行结构优化设计的方法和流程.该方法综合考虑结构几何特征、材料铺层方式、铺层厚度及铺层角度在设计环节中的序列关系,通过几何设计空间构建、离散变量多目标优化、基于工艺可行性的最优决策等方法实现结构设计.以碳纤维增强复合材料悬架控制臂的轻量化设计为例:首先,以钢质控制臂结构为参考建立复合材料控制臂的几何设计空间;然后,以复合材料铺层便利性为原则对其进行结构设计,采用准各向同性铺层对控制臂的铺层厚度进行设计;进而,以提高控制臂刚度和1阶固有频率为目标,使用优化算法对铺层角度进行多目标优化设计;最后,以工艺可行性为约束对优化结果进行筛选并最终完成结构设计.结果表明,所设计复合材料结构具有更大的刚度和1阶固有频率,并且与钢质结构相比减重47.9%.所提出的方法能够较好地兼顾结构特征和复合材料设计要求之间的关系,为复合材料结构优化设计理论与方法的发展提供有益参考.     

单轴力多约束条件下复合材料单向加筋壁板结构效率分析方法

通过建立复合材料单向加筋壁板单元的基本力学假设和计算分析模型,提出了一种多约束条件下进行快速结构效率分析的方法,并利用该方法对典型的复合材料单向加筋壁板进行了结构效率分析和优化,得到了其结构效率随各设计参数的变化趋势和相对最优结构参数。本文方法综合考虑筋条总体稳定性、局部稳定性、结构静强度约束及其之间相互影响,并在基本假设的基础上将复合材料结构离散变量转化为独立的连续设计变量,使得结构力学性能分析和优化分析大为简化,对本文方法所得结果与试验及有限元分析所得结果做了比较,吻合得较好。研究结果为复合材料单向加筋壁板的设计提供了直接参考,具有较好的实际工程应用和参考价值。      

复合结构减振优化设计模型研究

复合材料由于具有低密度、高阻尼和良好的比强度比刚度等特性而被工程结构设计广泛采用。复合材料结构设计的特点在于力学性能设计和结构设计相结合,设计变量多,影响因素更为复杂,优化设计工作显得尤为重要。基于不同减振评价指标,结构动力学优化设计可以采用不同优化模型,减振效果也相差很大。本文以钢-复合材料复合基座结构为例,研究采用功率流落差与振级落差进行减振效果评价,以结构总重量或评价点输出功率流等为目标函数,以钢板厚度、复合材料铺层数和铺层角度为设计变量,考虑应力约束时各种结构动力学优化数学模型,并采用多岛遗传算法进行求解,比较减振效果。研究表明,采用复合结构功率流优化模型能获得更佳减振效果。     

复合结构减振优化设计模型

复合材料由于具有低密度、高阻尼和良好的比强度、比刚度等特性而被工程结构设计广泛采用。复合材料结构设计的特点在于力学性能设计和结构设计相结合,设计变量多,影响因素更为复杂,优化设计工作显得尤为重要。基于不同减振评价指标,结构动力学优化设计可以采用不同优化模型,减振效果也相差很大。以钢 -复合材料复合基座结构为例,研究采用功率流落差与振级落差进行减振效果评价,以结构总重量或评价点输出功率流等为目标函数,以钢板厚度、复合材料铺层数和铺层角度为设计变量,考虑应力约束时各种结构动力学优化数学模型,并采用多岛遗传算法进行求解,比较减振效果。研究表明,采用复合结构功率流优化模型能获得更佳减振效果。     

基于层合参数的工字型加筋壁板稳定性设计

根据复合材料工字型加筋壁板的工艺铺设特点,建立了一种特殊的有限元模型,将工字型筋条按照凸缘顶板、[形腹板、凸缘底板、以及蒙皮四个层合板进行建模。针对工字型加筋壁板的铺层特征,本研究采用二级优化策略对工字型加筋壁板进行以静强度、刚度和稳定性为约束条件的轻量化设计,与一级优化(铺层厚度和弯曲刚度系数的调整)相比,二级优化采用改进的自适应遗传算法优化层合板的铺层顺序,优化设计结果可以直接用于工程应用,有限元模型和优化方法对复合材料工字型加筋壁板的设计具有指导意义。     

机械基础结构多目标拓扑优化设计方法

机械的基础结构在保证具有足够的刚度、强度和稳定性的条件下,经济性也必须要好,因此机械基础结构常采用内部布置有加筋板的箱体结构。以某机械基础结构为例,分别用基于经验设计的内部筋板布置方法和多目标拓扑优化方法进行优化设计,得到了2 种设计方案;比较了2 种方案的动静态力学性能。结果表明,多目标拓扑优化设计的基础结构比一般经验设计的结构,刚度有所提高,而结构质量减小11. 21%,一阶固有频率提高25. 07%。     

加强筋截面类型对轨道车辆板件结构隔声影响研究

针对轨道车辆轻量化设计后可能带来的隔声性能降低问题,研究不同截面加强筋铺设对板件隔声性能的改善效果。基于混合有限元-统计能量分析(Hybrid FE-SEA)方法建立轨道车辆加筋板结构隔声特性预测分析模型,系统分析T型、L型、I型和矩形加强筋截面类型对板件隔声性能的影响。研究结果表明,加筋板的刚度和1阶固有频率皆比均质板大,且随加强筋厚度的增大而增大;当加强筋厚度恒定时,T型加筋板的刚度和1阶固有频率最大,L型加筋板次之;敷设厚度15 mm的加强筋,板件的隔声性能最佳;当加强筋的质量、厚度、腹板面积及尺寸、翼板面积相等时,各类型加筋板的计权隔声量Rw差异不大;板件加筋后,刚度控制区的隔声量增幅3 dB~17 dB,1 250 Hz~4 000 Hz中高频段的隔声量增幅1 d B~6 d B。综合分析可知,以计权隔声量为评价标准时,在加强筋质量、腹板面积、翼板面积及尺寸相等时,敷设厚度15 mm加强筋,板件的隔声性能最佳,Rw较均质板可提高1.4 dB~1.5 dB,而加强筋厚度恒定时,T型和L型加筋板的刚度又最佳。相关研究成果可为轨道车辆板件结构加筋优化提供设计参考。     

Buckling load analysis of grid stiffened composite cylinders

Stiffened cylindrical shells are the major components of aerospace structures. In this study global buckling load for a generally cross and horizontal grid stiffened composite cylinder was determined. This was accomplished by developing an analytical model for determination of the equivalent stiffness parameters of a grid stiffened composite cylindrical shell. This was performed by taking out a unit cell and smearing the forces and moments due to the stiffeners onto the shell. Based on this analysis the extensional, coupling and bending matrices (A, B and D matrices, respectively) associated with the stiffeners were determined. This stiffness contribution of the stiffeners was superimposed with the stiffness contribution of the shell to obtain the equivalent stiffness parameters of the whole panel. Making use of the energy method the buckling load was solved for a particular stiffener configuration. Buckling test was also performed on a stiffened composite cylinder and compared with analytical results. Finally, using the analytical model developed, parametric analysis of some of the important design variables was performed and based on these results conclusions were drawn.     

加劲钢板剪力墙弹性抗剪屈曲性能研究

系统地分析了三个主要参数(板高厚比λ、肋板刚度比η和柱刚度β)对钢板剪力墙弹性屈曲性能的影响;提出了钢板剪力墙的三种弹性屈曲形式(局部屈曲、整体屈曲和相关屈曲),指出肋板刚度比η=40时(相当于I s=3.7bt3)能保证十字加劲板发生小区格板的局部屈曲或整块板的相关屈曲;指出现行高层建筑钢结构规范用于纵横加劲板局部屈曲荷载的设计表达式仅适用于η≥40的条件,而在η<40范围内,其计算结果偏于不安全;研究了交叉加劲板的弹性屈曲荷载,并与非加劲板和十字加劲板的屈曲性能进行了比较;最终给出了柱刚度对弹性屈曲荷载的修正系数,提出了交叉加劲板弹性屈曲荷载的简化计算公式。     

复合材料加筋板的大变形有限元分析

本文将考虑横向剪切变形的Mindlin's理论应用于复合材料加筋板的大变形分析,在Total-Lagrange坐标系下推导了八结点等参弯曲板单元和三结点等参梁单元的增量平衡方程和切线刚度矩阵,非线性问题采用增量法和Newton-Raphson迭代法相结合的方法求解.本文通过一些算例,证明了所采用单元具有良好的收敛性和足够的精度,并讨论了边界条件、纤维铺设角和加筋疏密等因素对复合材加料筋板非线性解的影响.     

采用等效有限元模型的复合材料机翼结构优化

在机翼设计过程中,将等效有限元模型(EFEM)方法应用于考虑静力学和动力学要求的机翼结构优化。提出了"三步走"的结构优化策略,将一个多变量的复杂优化问题转换为一系列少变量的简单优化问题,对某支线客机的复合材料机翼进行了优化设计。首先以位移、静强度和颤振速度作为约束条件对机翼复合材料铺层比例进行优化;然后以静强度和结构稳定性作为约束,以最小化结构质量和结构效率作为优化目标,对各翼肋之间的加强壁板进行优化设计;最后再以位移和颤振速度为约束,对机翼结构总体刚度进行优化设计。结果表明:EFEM方法具有快速建模和计算量少的优点,采用"三步走"优化策略具有更高的效率,适用于初步机翼结构优化设计。     

Optimum buckling design of composite stiffened panels using ant colony algorithm

Optimal design of laminated composite stiffened panels of symmetric and balanced layup with different number of T-shape stiffeners is investigated and presented. The stiffened panels are simply supported and subjected to uniform biaxial compressive load. In the optimization for the maximum buckling load without weight penalty, the panel skin and the stiffened laminate stacking sequence, thickness and the height of the stiffeners are chosen as design variables. The optimization is carried out by applying an ant colony algorithm (ACA) with the ply contiguous constraint taken into account. The finite strip method is employed in the buckling analysis of the stiffened panels. The results shows that the buckling load increases dramatically with the number of stiffeners at first, and then has only a small improvement after the number of stiffeners reaches a certain value. An optimal layup of the skin and stiffener laminate has also been obtained by using the ACA. The methods presented in this paper should be applicable to the design of stiffened composite panels in similar loading conditions.     

含损伤复合材料AGS 板的屈曲特性

采用有限元数值模拟方法, 研究了蒙皮内含分层损伤复合材料格栅加筋板结构(AGS) 的稳定性问题。对蒙皮和肋骨分别采用基于Mindlin 一阶剪切理论的复合材料层合板单元和层合梁单元来模拟, 推导了相应的有限元列式, 并通过坐标变换, 利用蒙皮与肋骨的几何连续条件, 形成了AGS 的单元刚度阵和几何刚度阵, 建立了含损伤AGS 稳定性分析的有限元控制方程。通过典型算例, 研究了压缩载荷作用下, 分层形状、分层大小、分层深度、肋骨的高度和宽度、布置方式等因素对AGS 的稳定性特征的影响。数值结果表明, 含分层损伤的AGS 具有十分复杂的屈曲性态。屈曲临界力和屈曲模式与分层面积、分层形状、分层深度、肋骨的高度和宽度、布置方式和位置均密切相关。      

复合材料大变形任意加筋板单元

本文构造了用于复合材料偏心加筋板状结构大变形分析的任意加筋板单元。在此模型中,肋骨可放置在板单元内任意位置和任意方向,因而在网格划分时,可不必顾及肋骨的具体位置。在板和肋骨的基本方程中,引用Von-Karman大变形理论计及大变形的影响,按照 Mindlin-Reissoner一阶剪切变形理论考虑横向剪切变形。任意加筋板单元具有和常规板单元相同的自由度。数值计算表明本文的有限元模型具有很高的精度。     

基于最终层失效的复合材料舱体稳健性协调优化

传统可靠性设计难以符合现代设计要求,对舱体进行稳健性优化设计,可提高其综合可靠性。基于基体破坏和纤维断裂两种失效模式,采用验算点法求解复合材料单层可靠度。基于最终层失效假设,提出把结构看作由串联子系统组成的并联系统的思想,结合材料刚度比率退化准则和单层可靠度理论,采用概率逐步失效分析方法,计算出主要失效链,从而得出结构的失效概率。复合材料舱体设计变量复杂,提出二级优化方法思想：一级为系统级布局优化,对加强筋截面形状、位置确定等参数进行优化;二级为子系统级尺寸优化,对筋截面尺寸、复合材料各铺层厚度等参数进行优化。采用自适应随机搜索遗传算法,以复合材料舱体质量最小为目标函数,以可靠度要求为约束条件,采用稳健性协调优化方法,对存在初始缺陷的复合材料舱体进行稳健性优化,为复合材料结构优化设计提供参考。