纤维增强复合材料界面相微结构优化设计

摘要

纤维增强复合材料以其模量高、强度高、重量轻的优良力学特性和极佳的可设计性成为现代飞行器的基本材料，其用量已作为衡量一个飞行器是否先进的标志。近年来随着复合材料设计及表征的极大进步，从细观甚至微观层面对碳纤维复合材料界面相的力学性能进行优化设计引起了极大的关注。不同于以往从界面相粘结性能的角度对界面进行改性，本文利用邻域培养遗传算法，对碳纤维复合材料的界面相微结构进行了优化设计，定量的给出了一组理想的界面相力学参数和相几何参数，以及横向载荷下纤维分布，主要的研究工作如下：
　　 1.利用有限元计算软件ANSYS对密排六边形代表性体元进行了分析，确定在对纤维分布进行优化时选择平面应力模型，目标函数为XY剪应力。
　　 2.将Drzal的界面相分层理论与轴对称组合圆柱模型结合，研究了完好粘接状态下的应力分布，以及界面相的厚度、界面相弹性模量成梯度变化对应力分布的影响，由此确定了在优化设计中采用的界面相各层厚度和弹性模量作为设计变量。使用邻域培养遗传算法进行优化计算，并利用Pareto选优方法对所得Pareto前沿进行了选优3.实现了先进的多学科优化平台iSIGHT与通用有限元分析软件ANSYS的集成。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2科学问题的提出与内涵

1.2.1纤维增强复合材料界面相概述

1.2.2纤维复合材料微结构优化设计

1.2.3微结构设计优化算法

1.3国内外界面研究现状及趋势

1.4本文的研究工作

第2章纤维复合材料界面力学特性

2.1复合材料及其界面相

2.2复合材料中的界面形貌

2.2.1界面相力学模型

2.2.2纤维与界面相的轴对称组合圆柱模型

2.2.3Drzal复合材料界面结合模型

2.3界面力学特性

2.3.1界面应力的提出

2.3.2界面的滑移

2.3.3关于界面剪切力学特性

2.4本章小结

第3章邻域培养遗传算法

3.1优化方法概述

3.2遗传算法

3.3遗传算法的技术问题

3.3.1编码方法

3.3.2适应度函数

3.3.3选择算子

3.3.4交叉算子

3.3.5变异算子

3.4多目标优化的提出及定义

3.5多目标优化问题相关概念

3.5.1向量的自然序的有关概念

3.5.2多目标优化问题的支配解与非支配解

3.5.3Pareto方法

3.6邻域培养遗传算法

3.7邻域培养遗传算法的技术实现问题

3.8基于模糊集合理论的Pareto选优

3.9本章小结

第4章单向复合材料界面相力学性能分析

4.1周期性单胞

4.1.1纵向载荷

4.1.2横向载荷

4.2纤维/基体界面应力传递的细观力学模型

4.2.1对三相体系的有限元法分析

4.2.2界面相厚度的改变对应力分布的影响

4.2.3界面相模量的改变对应力分布的影响

4.2.4界面相力学性能呈梯度分布时对应力分布的影响

4.3本章小结

第5章纤维复合材料微结构优化设计

5.1软件环境

5.2横向载荷下纤维分布设计

5.2.1问题的描述

5.2.2过程集成

5.2.3优化过程

5.3界面相力学及几何参数设计

5.3.1优化设计模型描述

5.3.2优化结果和分析

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢