复合材料层壳结构参数优化设计及其稳定性分析研究

摘要

复合材料具有比强度和比刚度大、重量轻、且疲劳性能、破损安全和可设计性都比金属材料优越的特点，目前已广泛应用于飞机结构上。 通过对复合材料层壳进行优化设计可以提高飞机性能，可以设计出满足结构刚度、强度以及稳定性要求且使得结构重量更轻的飞机结构。此外，在较大外力作用下，层壳结构将产生大的变形，会使结构变形成为几何非线性问题，结构很可能出现失稳现象，此时需要使用非线性方法进行分析以研究结构的稳定性情况。 本论文在综述优化设计理论研究的基础上，设计了复合材料铺层厚度优化设计的算法和流程。应用以上理论和算法并使用ANSYS软件对某型直升机全复合材料尾段结构进行优化设计，优化对象是复合材料的铺层厚度，优化采用APDL命令流格式，完成了一套完整的结构建模一分析一优化设计过程。 本文详细讨论了复合材料壳体结构稳定性有限元计算方法，其中具体讨论了三个方面：(1)、壳体点应变的非线性关系及插值，(2)、壳结构形变能的二阶变分及特征方程，(3)、大型代数特征方程组的数值计算方法。本文还详细介绍了用于非线性分析的计算方法：弧长法，详细讨论了线性弧长法、球面弧长法和球面显式迭代法。在这些理论的基础上，应用：MSC．Marc软件对某型直升机全复合材料垂尾结构和某型无人机垂尾结构进行非线性分析，分析过程采用PCL命令流格式，完成了一套完整的结构建模和非线性分析过程。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1复合材料层壳结构优化设计技术研究概况

1.2复合材料层壳结构稳定性问题研究概况

1.3本论文主要研究工作

第二章结构参数优化问题

2.1结构参数优化理论

2.2零阶优化方法(又称子问题逼近方法)

2.2.1概述

2.2.2极小化问题近似

2.2.3收敛性

2.3一阶优化方法

2.3.1概述

2.3.2搜索方向

第三章稳定性问题及数值计算方法

3.1复合材料壳体结构初始稳定性有限元计算方法

3.1.1壳体点应变的非线性关系及插值

3.1.2壳结构形变能的二阶变分及特征方程

3.1.3大型代数特征方程组的数值计算方法

3.2结构稳定性问题

3.2.1结构稳定问题

3.2.2非线性稳定性问题

3.3弧长法

3.3.1弧长法概述

3.3.2线性弧长法

3.3.3球面弧长法

3.3.4球面显式迭代法

第四章有限元分析软件ANSYS、MSC.MARC

4.1 ANSYS软件

4.1.1 ANSYS概述

4.1.2 ANSYS的优化流程

4.4 MSC.MARC软件

4.4.1 MSC.MARC概述

4.4.2 MSC.MARC进行屈曲和失稳分析

第五章复合材料层壳结构优化设计算例

5.1直升机尾段结构描述

5.1.1直升机尾段结构描述

5.1.2直升机尾段结构复合材料铺层及其力学性能数据

5.1.3载荷工况

5.2优化过程

5.2.1分块优化

5.2.2优化方法

5.2.3约束条件

5.3结果分析

5.3.1垂尾壳体结构的优化设计计算结果

5.3.2优化结构模型的形变及应变云图

5.4小结

第六章稳定性分析算例

6.1直升机复合材料垂尾蒙皮稳定性分析

6.1.1模型概述及加载方式

6.1.2垂尾受压面非线性计算结果

6.1.3厚度圆整后的结构后屈曲数值计算结果描述

6.2某型无人机垂尾结构稳定性分析

6.2.1模型描述及加载方式

6.2.2无人机垂尾受压面非线性计算结果

6.2.3再次设计蒙皮厚度后无人机垂尾受压面非线性计算结果

6.3小结

第七章总结及展望

7.1总结

7.2未来展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文