基于复合材料固化变形的铺层顺序优化方法

引入反映铺层顺序的代理模型,通过数值实验计算了不同铺层顺序下结构的铺层顺序参数,失稳特征值和固化变形大小,在此基础上分别构造了固化变形和失稳特征值对铺层顺序参数的响应面模型,并根据所得响应面模型优化得到最优的铺层顺序参数,再通过铺层顺序的反向设计得到实际的铺层顺序。结果表明:在满足结构稳定性约束条件下,通过铺层顺序优化可以减小固化变形大小,基于代理模型的铺层顺序优化方法可以显著提高铺层顺序的优化设计效率。     

碳纤复合材料汽车蓄电池壳体优化设计

碳纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀性好等诸多优异性能,在汽车结构中得到了广泛的应用。利用Altair OptiStruct软件建立了电池壳体有限元模型,对汽车蓄电池壳体结构进行了优化设计。整个汽车蓄电池壳体优化过程包括三个阶段:概念设计阶段、系统设计阶段、详细设计阶段。首先,在概念设计阶段利用自由尺寸优化模块确定了铺层块的形状;然后,在系统设计阶段利用尺寸优化模块完成了铺层厚度的优化;最后,在详细设计阶段利用铺层顺序优化模块完成了铺层顺序的优化。优化结果表明,通过优化设计能减轻电池壳体的重量,减重比高达66%,优化效果明显。     

基于Optistruct的云粒子组合探测器改装结构优化设计

针对云粒子组合探测器改装结构布局形式多、质量偏大等问题，对某试验机的云粒子组合探测器改装结构采用了拓扑-尺寸联合优化设计方法，探索改装结构的最优结构布局及最小质量尺寸。采用变密度法对改装结构进行拓扑优化，获得了最优的结构布局形式和最佳的传力路线；以最小质量为目标函数，在满足强度和刚度的约束条件下，对结构的厚度参数进行了尺寸优化，使结构质量减轻了22.33%，减重效果明显，验证了拓扑-尺寸联合优化设计方法在试验机改装结构设计的有效性。     

飞机金属-复合材料副翼结构优化技术

针对飞机副翼结构,讨论了一种金属一复合结构的联合优化设计方法。用拓扑优化方法得到传力路径并对金属骨架布局进行设计。对于金属部件,采用拓扑优化方法进行概念设计,然后通过尺寸优化等方法对各个具体部件进行详细设计。对于复合材料蒙皮,采用三级优化设计方案,从铺设角、铺层比例、铺层厚度、铺层块形状及位置以及铺层次序等多个方面给出层舍板的设计参数,并且在设计过程中充分考虑了制造约束。     

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。     

碳纤维复合材料无人机机身铺层优化设计

本文以机身质量最小为优化目标,对碳纤维复合材料六旋翼无人机机身进行了三阶段非均匀铺层优化设计。研究中以空中悬停急速上升为分析工况,首先通过自由尺寸优化获得碳纤维复合材料每个纤维方向铺层的厚度分布;然后通过尺寸优化获得每个纤维方向铺层层数;最后通过铺层顺序优化获得铺层优化方案;最后优化结果与均匀铺层的无人机身性能进行了对比。研究表明本文提出的方法可有效实现无人机机身的轻量化,在满足刚度、强度和工艺性能要求的前提下,无人机机身重量比均匀铺层的机身方案重量减少了50%。     

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%。     

复合材料螺栓连接的强度预测与失效分析研究

采用APDL二次开发语言,建立了多层复合材料层合板螺栓连接的三维有限元模型,应用牛顿-拉普森非线性迭代算法,对多层复合材料层合板的螺栓连接模型的失效分析进行了研究,并对其最终失效进行了预测。分析计算得出层合板的铺层顺序不同,几何尺寸不同,螺栓连接结构的失效形式就不相同。在一定的程度上,采用合理的铺层顺序,可以优化载荷分配,提高连接效率。     

基于蚁群算法的机翼结构布局优化方法

提出了一种工程实用性强的飞机翼面结构布局优化方法。将机翼布局优化问题分解为拓扑优化与尺寸优化两个优化子问题来处理：尺寸优化采用成熟的准则法来处理;根据基结构法思想将拓扑优化转化为N根翼梁的0/1规划问题,并采用改进的蚁群算法来处理。为了加快蚁群算法的进化速度,避免重复计算,引入了蚂蚁路径数据库。算例结果表明：改进的蚁群算法有较高的效率;所提结构布局优化方法减重效果明显,是可行和有效的。     

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％.     

复合材料地铁车车头外罩铺层优化设计

为了充分发挥复合材料轻量化的潜能,基于OptiStruct复合材料优化技术对某地铁车车头外罩进行铺层优化设计,实现了车头外罩的轻量化。首先,以全碳纤维、玻碳层间混杂和玻碳夹芯混杂3种铺层方式作为备选方案,对复合材料车头外罩进行等代设计,初步确定最优的铺层方案;其次,针对复合材料的可设计性,分别以柔度、质量和铺层顺序为目标函数对该最优铺层方案进一步进行自由尺寸优化、尺寸优化以及铺层顺序优化,最终获得了车头外罩最佳的铺层厚度和铺层顺序。研究结果表明:在满足车头外罩刚度和复合材料应变的设计要求下,优化后的复合材料车头外罩与等代设计阶段相比质量减轻了23. 6%,与原玻璃纤维车头外罩相比质量减轻了33. 6%,轻量化效果明显。     

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。     

某型无人机复合材料机翼大梁准等强度设计与有限元分析

以某型无人机复合材料机翼工字型大梁准等强度设计与优化为目标,研究了复合材料工字梁基于载荷分段的设计方法与铺层优化方法。计算了机翼大梁弯矩方程,采用等步长载荷包络方法给出了准等强度大梁的载荷分布,计算了缘条和腹板的内力方程。基于复合材料层合结构设计的基本原则,采用经典层合板理论对大梁进行了初步铺层设计。以结构强度、刚度、稳定性作为约束条件,综合考虑最小重量要求,在分段包络安全载荷作用下对工字梁铺层进行了分段优化设计。建立了工字梁的有限元模型,基于有限元分析结果校核了工字梁的强度、刚度和稳定性。研究结果表明:采用等步长载荷包络方法能够方便地计算非均布弯矩作用下机翼大梁的准等强度设计载荷;基于经典层合板理论进行工字梁铺层初步设计,建立工字梁有限元模型能够有效、快速地对工字型机翼大梁在分段包络安全载荷作用下的铺层进行分段优化设计,同时完成大梁的强度、刚度与稳定性校核;大梁结构减重可达29%;铺层设计时必须考虑受压缘条和受剪切腹板的稳定性问题,否则大梁根部高应力区会出现局部屈曲。     

复合材料垂尾翼盒布置优化设计

飞机翼盒长桁和肋的布置会影响整体结构性能,选择合适的桁距及肋距至关重要,本文在研究不同长桁间距、肋的布置形式对结构强度、刚度、稳定性和重量的影响中,参考国内外机型结构形式建立了3种长桁间距,3种肋的布置形式共9个布局方案,并在相同约束条件下进行优化分析,考虑静强度、稳定性、刚度比、工艺尺寸、铺层比等因素,优化后方案6(长桁间距180,1-4肋渐变、5肋以后垂直后梁)最优。文章涉及的方法与流程,经适当调整可用于航空航天领域广泛采用的半硬壳式结构的布局优化设计。     

CFRP汽车防撞梁结构/材料一体化优化设计

针对复合材料汽车防撞梁结构布局和层合板铺层优化问题,提出以防撞梁强度最大为目标,宏观结构与层合板铺层角为变量的结构/材料双尺度优化设计方法。结构层面采用B样条对防撞梁轮廓曲线进行参数化表达,并改变防撞梁截面关键尺寸,构建几何模型;材料层面考虑铺层角对层合板性能带来的影响,采用0°、±45°、90°四种标准铺层角进行铺设。通过自适应遗传算法对结构与材料两个层面的设计变量进行初始化,实现了适用于复合材料汽车防撞梁的结构/材料一体化优化设计。结果表明:防撞梁结构的强度较优化之前升幅为81.41%,且最大等效应力下降至64.885MPa,小于CFRP材料的极限强度,优化结果达到预期效果。     

集装箱吊架结构优化设计

采用拓扑优化、形状优化和尺寸优化对集装箱吊架进行优化设计。首先利用基于变密度法的拓扑优化,以柔度最小为优化目标,体积分数作为约束条件,得到设计空间内最优的材料分布路径。然后根据得到的拓扑结构重新设计,并在局部再一次进行拓扑优化,改善局部的拓扑结构。利用最终得到的吊架的拓扑结构建立新的有限元模型,综合运用形状优化和尺寸优化;以质量最小为优化目标,吊架的刚度和强度为约束条件,实现吊架的减重。通过综合三种优化方法,不仅提高了吊架的性能,而且大大降低了吊架的质量。     

混杂纤维复合材料汽车引擎盖结构优化设计

以某款汽车引擎盖为例,用碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料替换金属材料,基于Opti Struct软件的复合材料优化技术,提出了多阶段联合优化设计的方法。在概念设计阶段,通过拓扑优化确定复合材料的总体分布;在详细设计阶段,通过尺寸优化确定复合材料每种形状铺层块的具体厚度;在工艺设计阶段,通过铺层顺序优化确定最佳的铺层顺序。优化结果表明,原钢制汽车引擎盖质量为13.39 kg,在满足各种力学性能和制造工艺要求的前提下,经过多阶段联合优化设计后,复合材料汽车引擎盖质量为5.36 kg,质量减少了60%。     

复合材料机翼结构多约束优化设计

复合材料在航空领域的使用比重在逐年增长,飞机结构的轻量化设计可以通过优化复合材料铺层的厚度及结构的尺寸实现.在对某型飞机机翼结构有限元建模与分析的基础上,以质量轻量化为目标,通过控制结构的位移、应变和扭角等约束条件,结合Nastran的优化设计功能,对机翼结构蒙皮、梁、肋的复合材料铺层厚度和梁缘条的尺寸进行优化设计.结...     

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.     

基于OptiStruct碳纤维复合材料顶盖结构优化设计的研究

以某款汽车顶盖为例,采用碳纤维复合材料替换金属材料,根据复合材料的特点,提出了新型的复合材料优化设计技术,即自由尺寸优化,尺寸优化和铺层顺序优化,并采用这种新型优化方法,对复合材料顶盖进行优化设计,结果表明,在保证刚度的前提下,通过优化设计能大大减轻顶盖的重量,轻量化效果明显。