复合材料潜器耐压壳设计优化方法研究

摘要

与传统金属材料相比，纤维增强复合材料具有高比模量、高比强度的特点，可在满足结构性能要求的同时最大限度的减轻结构重量。对于潜器提高有效载荷、增加续航力、节省能源等都有着积极的意义。此外，其抗疲劳、抗腐蚀、可设计性强等综合优异性能和趋于低成本的发展方向也使其在潜器结构中的应用有着广阔的发展前景。然而复合材料各向异性特点和结构层合特性给结构设计带来灵活性的同时也给结构分析带来困难。目前，复合材料在潜器中的应用尚处于起步阶段，缺少相应分析计算方法和规范说明。本文针对复合材料潜器耐压壳结构，进行了复合材料结构计算及设计优化方法的研究。
　　本研究主要内容包括：⑴结合潜器的特点和各组分材料的特性，推荐使用碳纤维/环氧树脂作为潜器结构材料，并阐明其优越性；总结了可用于耐压壳和载体的成型工艺；根据论文计算需要，介绍了复合材料力学的基础理论、失效准则，对基于ANSYS的几种复合材料有限元分析方法进行研究和总结。⑵采用基于连续损伤力学理论(CDM)的渐进失效分析方法研究耐压壳的极限承载能力和失效演变情况。根据Tsai-Wu失效准则考虑材料的三种失效模式：纤维断裂、基体开裂和层间剪切破坏，并根据CDM理论的能量模型进行材料刚度折减。在ANSYS中编写命令流实现分析过程，通过与层合板拉伸试验结果对比证明了该方法的可行性。用于潜器耐压壳的分析中，得到载荷位移曲线和不同失效模式的失效单元数目随外压变化曲线。通过对结果观察认为可使用复合材料耐压壳承受设计压力时的Tsai-Wu失效因子作为强度指标。⑶基于近似模型方法的复合材料耐压壳性能研究。通过具有代表性的算例对径向基神经网络模型（RBF）和响应面模型（RSM）的拟合效率和精度进行对比研究。以有限元分析结果作为参考样本，建立了复合材料耐压壳力学性能的高精度近似模型。基于建立的近似模型对耐压壳性能进行研究，得到组分工程常数、纤维体积分数及铺层角对耐压壳强度和稳定性的影响情况。可为复合材料耐压壳的选材和设计提供参考。⑷基于铺层参数的复合材料耐压壳材料/结构一体化优化。采用两级协同优化框架优化潜深2000米潜器的电池耐压舱。整个优化体系通过使用铺层参数为中间变量、构建近似模型提供归一化铺层参数可行域的方式提高优化效率。寻优过程中，采用多岛遗传算法全局搜索结合序列二次规划法精确搜索的方式提高优化精度。最终得到的复合材料耐压壳最优方案与相同任务要求的“橙鲨”号钛合金潜器耐压壳相比重量节约了50％以上。⑸复合材料耐压壳的可靠性分析和6sigma设计。考虑到复合材料的材料参数分散性和加工误差等随机因素，对复合材料耐压壳最优方案进行基于蒙特卡罗抽样的可靠性分析，结果发现耐压壳在给定随机变量概率分布条件下失效概率较高。基于此，对复合材料耐压壳进行6sigma优化分析，得到的方案与确定性最优方案相比厚度增加1.5mm，可靠度达到8sigma水平，即100%可靠性。

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第1章 绪论

1.1论文研究的背景及意义

1.2课题研究现状

1.3本文主要内容与结构

第2章复合材料结构设计及分析方法

2.1复合材料组分选材

2.2复合材料成型及连接工艺

2.3复合材料工程常数研究

2.4复合材料失效准则

2.5复合材料结构分析方法

2.6本章小结

第3章 基于连续损伤力学理论（CDM）的耐压壳渐进失效分析

3.1引言

3.2基于连续损伤力学理论（CDM）的刚度降级模型

3.3渐进失效分析的试验验证

3.4层间剪切失效验证

3.5基于连续损伤力学理论的耐压壳渐进失效分析

3.6考虑几何非线性的耐压壳整体稳定性分析

3.7本章小结

第4章 基于近似模型技术的复合材料耐压壳性能研究

4.1引言

4.2试验设计(DOE)方法

4.3近似模型技术

4.4单向板工程常数的材料力学分析方法

4.5复合材料耐压壳结构近似模型的构建

4.6本章小结

第5章 基于铺层参数的复合材料耐压壳两级优化

5.1引言

5.2铺层参数及刚度不变量

5.3复合材料潜器耐压壳优化

5.4复合材料耐压壳与钛合金耐压壳最优方案对比分析

5.5本章小结

第6章 复合材料耐压壳的可靠性和6sigma设计

6.1结构可靠性和6sigma设计

6.2复合材料耐压壳最优方案可靠性分析

6.3复合材料耐压壳6sigma设计

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢