一体化复合材料上层建筑多物理场多目标优化设计研究

摘要

一体化复合材料上层建筑不仅涵盖普通上层建筑的承载以及舱室作用，而且集成天线罩功能，因此上层建筑整体结构既要满足刚度和强度要求，还要具备良好的隐身性能。由于复合材料具有良好的可设计性，兼具优良的电磁性能和力学性能，是多功能一体化上层建筑的理想材料。一体化上层建筑结构的设计是以电性能设计为主导，力学性能设计为关键环节的过程。本文基于电性能及力学性能分析理论，以实现上层建筑轻量化，提高上层建筑隐身性能为目的，开展了一体化上层建筑多物理场多目标优化设计研究工作。
　　为了开展一体化上层建筑电性能分析，根据上层建筑的设计要求，提出有关电性能的初始设计方案。同时进行了泡沫夹芯板和蜂窝夹芯板的电性能影响研究和蜂窝等效电磁参数计算的方法研究，并根据FSS夹芯结构透波性能确定透波罩工作频段。参考上述研究，确定了上层建筑外形形式以及电性能分析时的电磁波入射方向和频率，并基于物理光学法编写了针对一体化上层建筑结构的RCS计算程序，从而形成了一体化上层建筑电性能分析参数化方法。
　　在进行一体化上层建筑的力学性能分析时，采用试验与数值模型结果对比的方式确定了泡沫夹芯板与蜂窝夹芯板的建模方式。其中蜂窝夹芯的等效模型参数计算是基于渐进均匀化原理结合有限元法，采用APDL编写的程序实现的。根据确定的夹芯板建模方式，建立了一体化上层建筑的参数化模型。在确定了上层建筑的材料属性、约束以及设计载荷后，结合等效参数计算程序，应用APDL实现了一体化上层建筑力学响应（刚度、强度）分析的参数化过程。
　　综合上述针对一体化上层建筑的电性能及力学性能分析方法，确定了以提高隐身性能和轻量化为目标，力学性能为约束的优化设计模型。以遗传算法结合近似模型法作为优化方法，建立了一体化上层建筑的多物理场多目标优化流程。根据优化流程开展了一体化上层建筑的优化设计，结果表明:优化过程中，在保证了结构力学性能要求的基础上综合优化了上层建筑的电性能与总体质量。其中，结构轻量化和RCS减缩均达到了良好的效果。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和目的

1．2复合材料夹芯板发展趋势及在船舶领域的应用

1．2．1夹芯材料的发展趋势

1．2．2夹芯材料在船舶领域的应用

1．3蜂窝夹芯等效参数方法研究现状

1．4本文主要工作内容

第2章复合材料电性能与力学性能分析理论

2．1引言

2．2夹芯板电性能分析理论

2．2．1等效传输线理论分析方法

2．2．2物理光学法

2．2．3等效电磁参数计算方法

2．3复合材料力学性能分析理论

2．3．1层合板刚度

2．3．2层合板强度

2．3．3等效均匀化方法

2．4本章小结

第3章一体化复合材料上层建筑电性能设计分析

3．1引言

3．2一体化上层建筑初步设计

3．2．1设计原则

3．2．2．结构形式初步设计

3．3泡沫夹芯板吸波特性研究

3．3．1泡沫夹芯板面板厚度对吸波性能的影响

3．3．2泡沫夹芯板芯层厚度对吸波性能的影响

3．4蜂窝夹芯板透波性能研究

3．4．1面板厚度对透波性能影响研究

3．4．2蜂窝壁厚度对透波性能影响研究

3．4．3蜂窝孔径长度对透波性能影响研究

3．4．4蜂窝高度对透波性能影响研究

3．5频率选择表面

3．6等效电磁参数计算

3．7一体化上层建筑隐身性能分析

3．8本章小结

第4章一体化复合材料上层建筑力学性能分析

4．1引言

4．2复合材料有限元分析方法

4．2．1泡沫夹芯板数值模拟

4．2．2蜂窝夹芯板数值模拟

4．3一体化上层建筑力学性能分析

4．3．1一体化上层建筑有限元模型

4．3．2力学性能结果分析

4．4小结

第5章一体化上层建筑多物理场多目标优化

5．1引言

5．2．1多目标优化方法

5．2．2改进型非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)

5．3一体化上层建筑多目标优化

5．3．1优化模型建立

5．3．2优化变量分析

5．3．3优化近似模型选取

5．3．4优化设计实施

5．4小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢