复合材料层压板铺层设计的二级优化方法研究

摘要

将复合材料用于飞机结构上对于减轻重量具有重要意义。作为飞机上重要的组成部分，复合材料层压板已被大量使用，它的铺层优化设计也日益受到航空领域的关注。
　　复合材料层压板铺层优化设计的变量主要有铺层厚度、铺层比例、铺层顺序等。在铺层优化设计中，为了减小结构重量充分利用材料性能，结构不同区域的铺层厚度是不同的。同时为了防止区域间连接处的应力集中，必须协调层压板区域间纤维铺设的连续性。另外为了使得结构临界屈曲载荷最大化，有必要对层压板的铺层顺序进行优化。
　　本文分析总结了几种典型的层压板铺层优化设计理论和方法的特点，在复合材料力学理论和设计原则的基础上，基于区域划分技术，和一些成熟的有限元软件及优化设计平台等，提出了一种复合材料层压板铺层的二级优化设计方法。第一级，先对层压板进行分区，再以结构重量最小化为目标，应用保守离散变量设计法优化各区域不同角度铺层的厚度。第二级，首先应用共享铺层融合法构建区域间共享铺层组，以协调层压板整体纤维铺设的连续性。然后，以结构屈曲因子最大化为目标，将铺层顺序问题转化为铺层角度的整数规划问题，采用多岛遗传算法优化得到各共享铺层组的铺层顺序。
　　本文通过一个层压板的铺层优化算例说明了文中二级优化方法的有效性，并针对某型复合材料机翼结构进行铺层的优化设计，进一步验证了该方法对于复杂模型优化设计问题的适用性。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1复合材料在飞机结构中的应用

1.2复合材料的力学性能特点

1.3复合材料结构设计要求

1.4复合材料结构优化设计的发展

1.5本文的主要工作

第二章 复合材料层压板结构设计基础及优化方法

2.1复合材料层压板力学基础

2.2复合材料层压板结构设计基础

2.3层压板结构铺层优化设计方法

2.4小结

第三章 复合材料层压板铺层设计的二级优化方法

3.1引言

3.2层压板铺层设计的二级优化方法

3.3算例：层压板结构铺层优化设计

3.4小结

第四章 复合材料机翼结构的铺层优化设计

4.1引言

4.2设计问题的描述

4.3有限元建模

4.4设计变量分区

4.5优化设计策略

4.6优化设计结果

4.7优化设计结果分析

4.8小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2后续研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文