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。     

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.     

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。     

复合材料结构自动纤维铺放加工路径优化方法

将复合材料结构铺层数量、铺层厚度和铺丝角度作为优化问题的变量,提出一种适用于复合材料结构的纤维丝束自动铺放路径规划的优化设计方法,以降低复合材料构件总质量为主要优化目标,按照结构应力方向选择纤维角度,根据应力大小确定铺层厚度,根据应力分布位置决定铺层数量,在包括结构强度和纤维丝束曲率半径在内的约束条件下,使复合材料构件的总质量最小化。以类三棱柱复合材料立体结构为主要研究对象,利用有限元分析工具构建并实现铺贴丝束材料模型,根据各种载荷对铺丝层压结构进行了实验验证。     

复合材料工字梁铺层结构设计及强度研究

根据复合材料层合工字梁的结构特点,基于经典层合板理论和最大应力强度准则,用MATLAB软件编程设计了复合材料工字梁缘条和腹板的铺层结构。建立了基于工艺的3种工字梁铺层结构有限元模型,分析了静载荷作用下3种铺层结构的应力状态。给出了典型铺层的应力云图。计算了复合材料层合结构材料主方向应力,使用最大应力强度准则,给出了线性状态下3种不同铺层结构工字梁的极限载荷。有限元分析结果与经典层合板理论计算结果进行了对比。分析表明:1)工字梁铺层采用内C形连接和L形连接时极限载荷高于理论设计载荷,外C形连接的极限载荷低于理论值,3种铺层方式极限载荷误差都在9%以内,与理论值基本吻合;2)有限元分析结果显示初始损伤均发生在工字梁下缘条45°铺层中,损伤模式为基体断裂;3)工字梁结构极限载荷主要取决于基体强度;4)工字梁发生破坏的截面位于其固支端;5)所建立的基于经典层合板理论的工字梁设计方法和工字梁有限元分析模型是正确可靠的。     

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...     

复合材料涡轮轴结构力学性能预测方法验证及优化设计

针对连续纤维增强金属基复合材料涡轮轴结构力学性能计算及优化设计问题,基于复合材料宏观叠层结构理论及经典层合板理论,开展复合材料涡轮结构力学性能计算。通过建立与试验件相同结构的有限元模型,边界条件及载荷与试验条件完全一致,计算涡轮轴结构节点应变、周向位移响应及其承载能力,并分析轴结构径向截面危险位置。将计算结果与试验结果对比分析,验证涡轮轴结构力学性能计算方法及失效分析的有效性。基于上述研究,建立某型发动机涡轮简化轴结构,采用遗传算法,优化铺层角度、铺层厚度及金属层厚度影响因素,最终在保证轴结构承载能力基础上,达到减重效果。     

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.     

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.     

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。     

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。     

铝/碳纤维复合材料保险杠轻量化设计

对保险杠进行轻量化设计,并保证碰撞安全性,用铝/碳纤维复合材料替换原保险杠防撞梁钢质材料。分别对保险杠各部分厚度及碳纤维铺层角度进行了设计,确定了铝合金和碳纤维的厚度,探讨了铝合金和碳纤维板的厚度对碰撞性能的影响,通过采用对碳纤维铺层角度优化的方法提高碰撞安全性。通过拉丁超立方采样得到的试验样本,用移动最小二乘法建立近似模型并验证其精度,利用多目标遗传算法对近似模型寻优,确定了碳纤维最佳铺层角度,得到优化后铝/碳纤维复合材料保险杠防撞梁。与原钢质材料的保险杠相比,优化后铝/碳纤维复合材料保险杠质量减轻了36.497%,且满足碰撞安全性要求。     

大展弦比复合材料机翼刚心分析与剪裁设计

介绍了一种运用有限元分析软件确定大展弦比复合材料机翼刚心位置的方法,并将该有限元分析方法得到的计算结果与理论方法进行比较,两者最多相差75%。将该方法运用到工程中,以大展弦比复合材料机翼刚心轴线的位置作为目标函数,静强度和稳定性作为约束,蒙皮、梁腹板各个铺层角的厚度和桁条、梁缘条的横截面积作为设计变量进行优化设计。经过多岛遗传算法和序列二次规划算法的迭代计算,最终得到机翼模型刚心轴线的最佳位置,与优化前相比刚心轴线位置更靠近于机翼前缘。     

基于复合材料层板稳定性的铺层参数优化设计方法

提出一种基于复合材料层板稳定性的铺层参数优化设计方法,首先利用最大应变能准则优化分层厚度,利用库塔条件推导出层合板单元厚度迭代公式优化单元厚度,两步交替进行,完成层板厚度与铺层比例优化;在此基础上采用遗传算法优化层合板铺层顺序,最终设计出满足稳定性要求的最佳层合板铺层.通过算例分析表明,文中方法与传统方法相比收敛速度明显提高.同时,最佳的厚度分布也为层合板加筋设计提供理论参考.     

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。     

板簧式起落架满应力设计方法研究

运用工程梁理论将板簧式起落架看做一个外伸梁,通过满应力反向迭代设计来确定缓冲器的厚度分布。设计所得的缓冲器在最大受载状态等价为等强度梁,从而使起落架设计实现用最小重量代价满足缓冲吸能的设计目标。对于一个给定的设计实例,采用MSC.Dytran进行落震仿真计算,并将设计结果与有限元仿真结果进行对比,对比证明设计方法有效,满足工程设计要求。     

大型复合材料结构实用优化设计技术研究

充分利用复合材料的可设计性,设计出满足结构刚度强度以及气动弹性等性能指标要求且使结构重量更轻的飞行器结构.先应用几何建模软件CATIA进行飞行器尾翼结构几何外形的确定,接着应用大型工程软件Hypermesh进行了其结构的有限元模型的建立,并且应用了区域划分技术,然后在数值计算仿真的基础上,对飞行器结构的各构件几何参数实施了工程优化设计;针对其复合材料的三种经典铺层角度按照一定的铺层比例进行优化设计分析.因此总结出诸多有意义的实际工程应用经验.     

复合材料基础设计及优化

通过原材料的选材、铺层和层合板结构设计,阐述了复合材料的基础设计。结合复合材料的原材料和结构设计原则,说明了复合材料结构的可设计性。针对复合材料各组分材料的特性,详细介绍了原材料选择的重要性,从载荷性能要求方面并结合层合板结构设计原则,对复合材料层合板进行了设计,并应用有限元分析软件(ABAQUS)对层合板进行了仿真分析,阐述了复合材料层合板仿真分析的方法和步骤,同时根据仿真结果对复合材料铺层进行了合理的优化设计。     

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。