基于自适应遗传算法的层合板铺层优化设计

针对复合材料层合板结构设计中因铺层角度多变、难以确定最优铺层方案的问题,提出一种基于自适应遗传算法的铺层优化设计方案。该方案以层合板铺层角度为变量,以层合板最大形变量为优化目标,采用整数编码策略,运用MATLAB平台进行遗传算法设计。在寻优过程中调用ABAQUS对层合板进行有限元分析并将分析结果返回至MATLAB进行优化计算。通过对比经典遗传算法表明,该算法收敛快,更易达到优化设计的目的。     

不同铺层转角T700/E44 复合材料拉伸强度有限元分析

碳纤维复合材料的失效行为与复合材料内部的应力状态有关,不同铺层转角的单向碳纤维复合材料层合板的性能具有明显差异。文中利用HyperWorks 商用有限元软件建立了T700/E44 复合材料层合板拉伸模型,基于Chang-Chang 复合材料失效模型对不同铺层转角复合材料层合板的 X 向及 Y 向拉伸性能进行了数值模拟分析。研究结果表明,复合材料层合板以45° 铺层转角对称结构层合时,复合材料有着最佳的综合拉伸性能。这对高性能雷达中复合材料部件的铺层结构设计具有重要的指导意义。     

复合材料层合板冲击损伤影响因素分析

应用三维逐渐累积损伤理论和有限元分析技术对复合材料层合板的低能冲击过程进行了详细分析,研究了不同材料的冲头、不同复合材料体系和不同铺层方式对复合材料层合板冲击损伤的影响规律。研究结果可为更有效地进行复合材料抗冲击结构设计提供一定的指导。     

基于改进自适应遗传算法的层合板铺层设计

针对复合材料结构设计中层合板铺层角度多变、难以确定最优设计方案的问题,应用遗传算法对复合材料层合板进行以铺层角度为变量、以层合板强度最大为目标的优化设计。采用MALTAB语言编写改进的自适应遗传算法主程序,在寻优过程中,调用APDL编写应力计算程序,并将输出的计算结果返回MALTAB进行优化计算。以对称层合板为算例进行计算验证,其安全裕度提高了21.5%;通过对比传统遗传算法,证明改进的遗传算法具有快速收敛性。     

单向拼接复合材料层合板的抗拉强度研究

碳纤维增强树脂基复合材料层合板具有较高的抗拉强度,复合材料结构设计中会遇到含铺层拼接的层合板的问题,需要考虑拼接对层合板力学性能的影响。因此建立交错拼接单向层合板的力学模型,对其层间应力和承载能力进行分析,得到单向层合板拼接位置的层间应力分布和抗拉强度的解析解,并提出有效拼接长度的概念,可用于交错拼接层合板的设计。并建立不同拼接长度的交错拼接单向层合板模型,计算得到层间应力分布,并采用渐进损伤方法预测抗拉强度,解析解和有限元方法的强度预测结果均与试验结果具有较好的一致性。含交错拼接单向层合板拼接位置的层间切应力和抗拉强度决定于材料刚度、单层厚度、界面厚度和拼接长度。     

不同铺层方式的复合材料层合板弯曲性能的研究

以碳纤维缠绕电动节能车车架为研究对象,采用有限元分析和力学试验对比的方式研究碳纤维铺层角及铺层层数对碳纤维复合材料层合板弯曲性能的影响。以层合板铺层角度、铺层层数为变量设置试验对比组,在ANSYS Composite Prep/Post复合材料分析模块中创建层合板的有限元模型研究层合板在承受弯曲载荷时的抗弯表现。结合弯曲试验结果,分析不同铺层方式对碳纤维复合材料层合板弯曲性能的影响。结果表明:在铺设一定数量的±45°铺层的基础上,增加0°/90°正交铺层可提高层合板的静承载强度;增加铺层层数,可提高层合板的弯曲强度。     

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HyperWorks 的不同铺层方式复合材料剪切强度有限元分析

剪切强度和剪切韧性是反映复合材料构件在复合受力状态下承载能力及耗能能力的重要指标,不同铺层方式的单向玻璃纤维与短切玻璃纤维混杂增强复合材料层合板的层间剪切性能有明显差异。文中基于HyperWorks 商用有限元软件建立了精确的复合材料层合板模型,通过数值模拟分析不同铺层方式复合材料层合板的层间剪切性能。研究结果表明,铺层材料对复合材料层合板的层间剪切性能影响较大,而铺层顺序对复合材料层合板的层间剪切性能影响较小。     

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。     

冲击后复合材料板剩余抗拉强度影响因素分析

应用提出的全程分析方法和三维逐渐累积损伤理论,对层合板的冲击过程以及冲击后含损伤层合板在拉伸载荷下的破坏过程进行详细分析.研究不同冲击能量、不同材料的冲头、不同复合材料体系和不同铺层方式等因素对层合板冲击损伤及剩余抗拉强度的影响规律,为更有效地进行复合材料抗冲击结构设计提供一定的指导作用.     

应用扰动广义微分求积法的复合材料层合板剪切屈曲分析与优化

广义微分求积(GDQ)法求解复合材料层合板剪切屈曲时存在计算精度差、计算振荡不收敛问题,研究发现该现象源于载荷矩阵存在奇异,为此,提出扰动GDQ法,通过扰动主对角线权重系数以改善载荷矩阵的奇异性来消除计算振荡。数值算例验证了扰动策略的有效性,实现复合材料层合板剪切屈曲问题的高效稳定求解。在此基础上,结合直接搜索模拟退火算法,开展了含剪切载荷的复合材料层合板铺层顺序优化。结果表明：剪切工况时对称复合材料层合板的优化铺层不受铺层数和铺设形式影响,优化铺层角随长宽比增大而趋于60°;而剪切与轴压组合工况下较小的剪切力能改善层合板屈曲性能,随着剪切力的增大,优化屈曲性能逐渐降低,优化铺层趋同于剪切工况。研究结果为复合材料层合板的剪切屈曲性能设计提供了参考。     

层合板弹性性能的实验研究

采用散斑干涉法,对两种铺层方式的环氧基玻璃纤维层合板的弹性模量、泊松比和应力－应变曲线进行了实验研究。实验揭示了两种铺层方式层合板的弹性性能,为复合材料的铺层设计和建立相应的理论与计算方法提供了依据。     

飞机复合材料蒙皮的优化设计

从工程实际出发,提出了一种针对连续纤维增强复合材料蒙皮的三级优化设计方案。能够从铺设角、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合板的设计参数。在设计过程中．加入了一系列与实际加工制造非常吻合的制造性约束,使复合材料层合板构件的优化设计结果具有非常好的可制造性。运用该方法对某型飞机复合材料机翼前缘蒙皮进行了优化设计,取得了良好的设计结果。     

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Laminate Tools的机载天线罩力学仿真和优化设计

由于优异的物理力学性能和可设计性,复合材料在雷达天线罩中得到了广泛应用。文中基于Laminate Tools软件对某机载雷达天线罩的复合材料结构进行了有限元建模、力学仿真及可视化检查,并结合初步分析结果对结构进行了减重优化,探讨了复合材料结构设计、分析、制造一体化的可行性。结果表明,结合通用软件Patran/Nastran,可方便地实现复合材料铺层、三维和褶皱显示、力学计算、失效分析及展平图输出等一系列功能,为复合材料的一体化设计提供了流程参考。     

含孔复合材料层合板在压缩载荷下的三维逐渐损伤

通过逐渐损伤分析可以清楚地了解承载复合材料层合板内部损伤的产生及扩展过程,应用三维逐渐累积损伤理论和有限元分析技术,对不同材料不同宽孔比的含孔复合材料层合板在压缩载荷作用下的逐渐破坏过程进行分析,综合考虑了基体开裂、基纤剪切、分层及纤维断裂等四种复合材料层合板的主要破坏模式。在通用有限元分析软件ANSYS基础上进行二次开发,编制了参数化的分析模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度和铺层厚度层合板在压缩载荷作用下的逐渐损伤破坏过程及最终失效载荷,通过与已有参考文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。该程序可以较大程度地提高最终失效载荷的预测精度,为复合材料层合板结构的设计和使用提供了有力的技术支持。     

飞机复合材料雷击损伤热电耦合仿真

参照国外已有的雷击实验结果,建立了复合材料层合板的三维有限元模型,通过施加电边界和热边界以及引入材料性能参数之间的相互依赖关系,运用ABAQUS仿真软件真实地模拟出复合材料在雷击过程中雷电流的传导以及损伤过程.通过仿真研究复合材料层合板在遭遇雷击时热、电之间的耦合作用,得到雷电流注入后层合板中的温度分布场,对比分析后得出了不同层的烧蚀形貌和尺寸均有所不同的结论.通过对比不同铺层层合板的雷击损伤结果发现,当顶层为0°铺层(即与结构长度方向一致)时层合板的损伤面积较大.     

具有工程适用性的复合材料机翼结构快速设计

为实现复合材料层合板的快速设计,从工程适用性角度出发,提出了面向铺层厚度/铺层顺序的快速设计流程.首先,基于满应变设计方法对复合材料分层厚度进行优化设计,得到各分层的厚度比例.然后,采用相对差商法实现分层厚度的圆整,各分层在圆整之后为单层厚度的整倍数.最后,基于工程材料数据库对铺层顺序进行设计.利用某无人机复合材料机翼...     

基于改进模拟退火算法的复合材料层合板屈曲优化

针对复合材料层合板的屈曲优化问题,提出一种改进的直接搜索模拟退火算法来求解最大化临界屈曲载荷系数的铺层顺序设计问题。改进算法引入搜索范围动态调整的新点产生方式实现全局搜索和局部搜索的协调,提高了算法的计算稳定性和计算效率。以离散铺层角为设计变量,采用里兹法进行屈曲响应分析以考虑弯扭耦合影响,通过典型多极值屈曲优化问题分析比较了算法改进措施的有效性。不同角度增量、铺层数、长宽比和载荷比的层合板屈曲优化结果表明,改进算法能有效地进行层合板铺层顺序优化。     

FiberSIM在飞机复合材料壁板设计中的应用

复合材料以其密度低、比强度和比刚度高、疲劳性能好和可设计性,现已广泛应用于飞机的主结构设计中。复合材料结构设计较金属结构复杂,应额外考虑内部铺层结构设计。FiberSIM作为数字化设计制造一体化软件,为复合材料的设计和制造提供全面的解决方案。讨论了FiberSIM辅助机身壁板设计过程中的关键设计点,分析了相关参数对复合材料蒙皮制造仿真结果的影响。