基于几何因子的复合材料气动弹性剪裁设计

实现了基于几何因子的复合材料层合板建模,解决了几何因子与Natran的参数输入问题,并根据工艺约束中的最小铺层比例对几何因子可行空间进行了推导补充。在此基础上,提出了一种基于几何因子和Nastran的复合材料气动弹性剪裁优化设计方法。首先以总厚度和几何因子作为设计变量以及以Nastran作为求解器,以强度、刚度、颤振和发散速度以及几何因子相关性约束作为约束条件进行结构寻优,得到最优的铺层总厚度和几何因子。其次,以最优几何因子作为目标,进行铺层结构逆问题求解,约束条件为复合材料铺层工艺约束。因几何因子为铺层厚度和铺层顺序的表达式,与传统的多级优化相比,以几何因子作为设计变量可以避免铺层厚度和铺层顺序的解耦,进而获得更大的设计空间,且得到的铺层结构可以满足工艺约束。最后,对一矩形悬臂复合材料层合板进行剪裁设计,使得铺层结构满足气动弹性约束且质量最小。结果显示,运用该优化方法可以得到质量更小且满足工艺约束的铺层结构。     

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.     

引力波探测望远镜超低热变形桁架支撑结构设计技术

本文针对引力波探测望远镜超低热变形要求,提出了通过设计CFRP铺层改变材料热胀系数的方法,进而解决桁架支撑结构热变形问题。同时针对望远镜装调性能的要求,给出了结构的分段式设计方案。文章首先分析了CFRP的优势、现有的消热化的方式和国内外研究进展,确定了以CFRP为关键材料的三杆式望远镜的方案,并提出了设计指标。其次建立了“材料-热变形、桁架结构-热变形”数学模型,针对材料铺层和结构设计进行优化,给出了优化方案。然后将CFRP材料应用于支撑结构中,采用分段式主支撑结构设计方案,降低了结构加工装调的难度,最后对整体结构进行分析。分析结果表明：机械性能方面,结构基频和最大重力卸载变形满足主支撑结构的要求;热变形方面,基于CFRP铺层特定优化设计的结构方案热变形为普通铺层方案的27.15%、Invar材料支杆方案的6.42%、SiC支杆方案的11.50%和钛合金支杆方案的3.21%,即优化设计可显著降低结构热变形。     

碳纤维复合材料控制臂多尺度多目标优化

为实现悬架控制臂轻量化设计,采用碳纤维复合材料(CFRP)对钢制控制臂进行材料替换,并利用多层次优化方法对CFRP控制臂进行铺层优化。基于多尺度分析方法,考虑碳纤维复合材料细观结构参数及铺层角度对控制臂宏观性能的影响,选取细观尺度下纤维束截面高度、宽度、纱线曲折度、单位长度经纬纱数量及四个经典铺层角度作为设计变量,以控制臂的质量最小、一阶模态频率最高为优化目标,以刚度和强度为约束条件,结合响应面近似模型和NSGA-Ⅱ优化算法对碳纤维复合材料控制臂进行多尺度多目标优化,得到Pareto解集。优化结果表明,在刚度满足使用性能要求下,CFRP控制臂的质量较钢制控制臂下降了65%,且强度、振动特性等性能得到大幅提升,轻量化效果显著,可为碳纤维复合材料结构件的轻量化设计提供参考。     

基于遗传算法的复合材料层合板削层结构铺层优化

针对应力变化较大的碳纤维增强复合材料层合板,提出削层结构铺层分级优化模式。通过将结构分解为若干子铺层并对各子铺层的位置、尺寸、铺层数以及铺层顺序进行优化,得到了满足强度和可制造性要求且质量最小的结构设计方案。该模式的第1、2级优化利用参考层对各子铺层位置及尺寸进行优化,第3级优化通过引入3次样条插值参数化方法对各子铺层层数和铺层顺序进行优化。参考层的引入可减少设计变量的数量,3次样条插值参数化方法可解决以铺层角为设计变量时设计变量数目不确定的问题。利用有限元方法对结构进行力学分析计算,并依据Tsai-Wu准则确定结构强度。在第2、3级优化中利用遗传算法对优化问题进行求解。算例计算表明:削层结构铺层分级优化模式结果合理可信。与均匀铺层方法结果比较可知:削层结构可有效减少结构质量。     

复合材料翼面结构带位移约束的优化设计

本文对复合材料航空翼面结构进行了满足位移及工艺尺寸要求的最小重量设计,用多项式模拟复合材料蒙皮各个铺层的厚度采用有限元法做结构分析,用可行方向法求解优化问题.设计变量取为多项式的系数及其他有限单元的厚度或截面积,通过变量成组减小问题的规模.文中对一个复合材料盒段,一个复合材料机翼进行了优化设计,得到了较好的结果.      

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。      

基于密度分布曲线法的复合材料变刚度铺层优化

基于梯度的优化方法对复合材料层合板进行了变刚度铺层优化设计。在优化过程中需确定铺层中各单元的密度以及角度。为了使优化结果具有可制造性,优化结果需满足制造工艺约束并且铺层角度需从预定角度中选取。为了避免在优化问题中引入过多的约束并减少设计变量的数目,提出密度分布曲线法(DDCM)对层合板中各单元的密度进行参数化。根据各单元的密度以及角度设计变量并基于Bi-value Coding Parameterization(BCP)方法中的插值公式确定各单元的弹性矩阵。优化过程中以结构柔顺度作为优化目标,结构体积作为约束,优化算法采用凸规划对偶算法。对碳纤维复合材料的算例结果表明:采用DDCM可得到较理想的优化结果,并且收敛速率较快。     

基于灰色关联分析的碳纤维增强树脂复合材料控制臂铺层优化

采用碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)对悬架控制臂进行轻量化设计,为了充分发挥CFRP优异的力学性能,对CFRP控制臂进行多目标铺层优化。基于CFRP力学性能试验结果构建控制臂有限元模型,并通过有限元仿真对比分析钢质控制臂和CFRP控制臂结构性能。综合考虑质量、模态频率、刚度和强度等性能,基于正交试验设计方法,并结合灰色关联分析和主成分分析,对CFRP控制臂铺层参数进行多目标优化,确定最优铺层方案。结果表明,相比于原钢质控制臂,除纵向刚度略有下降外,CFRP控制臂其余结构性能指标均有所改善,并且质量降低40.23%,减重效果显著。     

基于遗传算法的大型风机复合材料叶片根部强度优化设计

为了提高复合材料叶片承担载荷的能力, 尤其是承受最大弯矩的叶片根部的承载能力, 研究了遗传算法的优化原理并将遗传算法应用到复合材料叶片根部铺层的优化设计中。针对复合材料层压结构遗传算法优化设计中, 层压结构参数具有离散型的特点, 提出了适合复合材料层压结构遗传算法优化设计的整数编码策略, 以整数来表征层压结构参数。在分析层压结构强度的基础上, 针对结构强度优化的目标构造了可用于遗传算法的适应度函数。同时参考了一定的铺层规则, 在铺层角度限制为工程中常用的四种角度的前提下, 应用遗传算法对叶片根部进行了铺层优化设计。结果表明, 由于遗传算法特有的处理离散型问题的优势, 在叶片根部的铺层优化设计中应用遗传算法是可行和可信的。     

多载荷多工位转盘拓扑优化设计

基于拓扑优化理论,以结构总质量最小为目标,利用SIMP材料插值方法,结合HyperWorks/Optistruct拓扑优化功能对自动化组装设备中常用的多工位转盘进行了拓扑优化．根据优化后的重构模型与原始结构模型的静力学对比分析知,优化后降低了多工位转盘的总质量,提高了多工位转盘的刚度,同时减小了多工位转盘的局部最大应力．数据结果表明本方法对多工位转盘优化设计是有效的．     

包装机械设计中计算机辅助设计软件的联合应用研究

目的研究Pro/E,Ansys与Optistruct在包装机械设计中的联合应用问题。方法在分析Pro/E,Ansys及Optistruct软件的特点基础上,结合每个软件在包装机械设计中各自的侧重点及优势,提出了在实际研发中三者联合应用的方法,并对三者间数据传送进行了说明;通过包装机械设计过程中的实例,进行了3个软件的联合应用研究。结果 Pro/E,Ansys和Optistruct等3个软件各具优势,分别侧重于三维建模绘图、有限元仿真分析和结构优化;三者可以进行数据间的相互传送,通过联合应用流程实现在包装机械设计中的联合应用;对托架结构设计的优化实例表明:最大应力减小了18.4%,最大变形减小了58%。结论 Pro/E,Ansys与Optistruct在包装机械设计中的联合应用使得设计过程高效准确,优化效果明显。     

高精度碳纤维增强树脂复合材料夹层天线面板热变形影响参数仿真与实验

为满足亚毫米波、太赫兹波段等高频天线反射面的应用需求,采用附加树脂修型技术制得1米级、面形精度优于10 μm均方差(RMS)的碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料天线面板。主要开展了针对高精度CFRP复合材料面板在极端低温环境下的热变形机制研究。根据基础材料性能测试数据,建立面板的有限元仿真模型,预测大温差工况下多结构参数面板的热变形残差,分析了影响面板热变形特性的主要因素。比较了铝蜂窝和碳管阵列夹芯两种面板结构热变形特性的差异。结果表明,碳管夹芯结构面板具备更高的比刚度和热稳定性。通过仿真结构优化给出了面板的结构设计参数,并重新试制了原型面板。采用基于高精度数字摄影测量的实验方法,对铝蜂窝和碳管阵列两种夹芯结构原型面板在低温环境下的热变形误差进行了测量,通过分析实验与仿真结果的误差来源,讨论了有限元预测方法的可行性,给出了针对高精度CFRP复合材料面板设计及工艺方法的指导意见。      

Al/CFRP混合薄壁结构耐撞性能可靠性优化设计

轻量化是实现汽车产业向安全、节能、环保发展的一个重要途径。Al/CFRP（carbon fiber reinforced plastic，碳纤维增强复合材料）混合材料能够在提升轻量化效果的同时兼顾材料成本和结构耐撞性能。为探索方形截面Al/CFRP混合薄壁结构的最佳组合方式，首先，制备了Al方管、CFRP方管和Al/CFRP混合方管，并开展准静态压溃实验。然后，建立能够精确模拟Al/CFRP混合方管压溃响应的有限元模型。最后，将试验设计方法、代理模型技术、多目标优化算法和蒙特卡罗模拟技术相结合，对Al/CFRP混合方管分别进行多目标确定性与可靠性优化设计，并对效果较好的可靠性优化解进行仿真验证。准静态压溃实验结果表明，Al/CFRP混合方管具有优异的耐撞性能；优化结果表明，可靠性优化解的约束可靠度相比于确定性优化解提高了10.96%，大大降低了失效概率，具有更强的实用性。研究结果有望对Al/CFRP混合薄壁吸能构件的优化设计提供参考。     

内燃机结构冲压件的低噪声设计研究

为了降低发动机结构冲压件的辐射噪声,运用形貌优化的方法,提高结构刚度来达到降噪的目的。以某发动机油底壳为研究对象,建立了薄壁结构的有限元实体模型。以某阶固有频率的最大化为设计目标,寻找最佳的加强肋分布,以及最小肋宽和起肋角,以提高结构刚度,减小其表面辐射噪声。同时,在形貌优化结果的基础上,结合冲压结构加工工艺性要求提出了改进方案。     

高速列车车体轻量化层状复合结构隔声设计

随着高速列车车体结构轻量化的发展,层状复合结构车体在高速列车上得到广泛应用,提高层状复合结构的隔声性能,是高速列车减振降噪的关键技术。基于传递矩阵法,建立"铝板+多孔材料层+空气层+碳纤维增强板"的典型高速列车层状复合结构车体隔声计算分析模型,并分析多孔材料和空气层对层状复合结构车体隔声性能的影响。结果显示,混响声场激励下,在铝板和碳纤维增强版之间仅增加空气层只能提高车体结构高频隔声量,低频部分会由于"板-空气-板"的系统耦合共振,形成显著吻合谷,导致其隔声性能在吻合谷频率处大幅下降。对此,利用多孔材料吸声原理,提出在空气层中增加吸声材料层,抑制隔声吻合低谷,通过优化设计,得出"铝板+空气层+吸声材料+空气层+碳纤维增强板"的优化结构形式,在实现车体轻量化目标同时,可有效提高其隔声性能。     

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。     

含拼接铺层碳纤维增强树脂复合材料拉伸破坏机制

对于尺寸较大或形状复杂的结构,通常需要在纤维增强树脂（FRP）复合材料内部对铺层进行拼接处理。铺层拼接会在材料内部引起复杂的应力分布,具有突出的安全隐患。以同一位置处出现不同层数铺层拼接的单向碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料为研究对象,重点分析了铺层拼接对材料拉伸力学性能的影响机制。通过拉伸实验,测试了拼接对其力学强度的影响;用相机记录了破坏过程,并结合数字图像相关技术（DIC）对拼接位置附近的应变场进行了监测。利用有限元模型（FEM）模拟和分析结构的破坏机制,采用3D-Hashin准则和渐进损伤模型对CFRP复合材料铺层进行模拟;采用内聚力模型对胶层失效行为进行描述。实验结果表明,拼接结构的引入大幅降低了材料的抗拉强度。FEM模拟与实验测试结果吻合度高,说明了模型的有效性。综合实验结果和模拟分析得到,铺层拼接处产生应力集中,造成被拼接的两部分分离并伴随拼接铺层和连续铺层的层间剪切破坏;层间破坏发生后,拉伸载荷完全由连续铺层承载。因此,材料的最终承载能力由材料中连续铺层数决定。      

碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金层合板深拉成型特性

碳纤维增强树脂复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）因其轻质高强的特点,越来越多地应用到汽车轻量化设计和制造中。为研究CFRP板件及CFRP-Al层合板深拉成型影响因素,加速CFRP零部件产业化进程,本文通过DSC测试分析了CFRP预浸料的固化放热过程,以此为依据,用热压罐制备了不同后固化温度下成型的CFRP板材及单向、编织两种预浸带铺层的CFRP-Al层合板,用Inspekt table 100材料试验机对上述两种板材分别做了深拉试验。考虑到提高制备效率,用打磨、打磨+涂覆硅烷偶联剂、阳极氧化+涂覆硅烷偶联剂三种方式对铝合金板进行表面处理,不经热压罐固化成型,直接和正交对称铺层的单向预浸带一起在Inspekt table 100材料试验机的环境箱中混合温深拉,固化成形。并通过金相显微镜、SEM进行显微组织观察,验证后固化温度、深拉环境温度、预浸带的种类对CFRP板材及CFRP-Al层合板深拉成型性能的影响及铝合金板表面处理方式对CFRP叠层预浸带、铝合金板材混合温深拉成型性能的影响。结果表明,适当降低后固化温度、提高深拉环境温度有利于板材二次深拉成型。编织预浸带较单向预浸带能更好地承受压力,深拉成型质量更优。阳极氧化+涂覆硅烷偶联剂的表面处理方式一方面能在铝合金板材表面形成致密、均匀的微孔,另一方面硅烷偶联剂能很好地促进铝合金板材和CFRP的界面结合,有利于深拉成型。