复合材料层压板典型结构优化设计研究

摘要

如何减少飞机结构的重量是飞机设计师一直追求的目标。减少飞机结构的质量主要有两种方法，一是大量采用复合材料结构和先进轻合金结构，二是采用新技术（例如：结构优化设计等）的方法来降低重量。优化设计一般来说是针对具体的工程问题来建立其优化模型，同时采用比较有效的寻优方法，通过迭代的方式获得既满足约束条件又使目标函数达到最优的策略。
　　本文建立了翼盒结构的有限元模型，分析了该模型初始设计的质量、最大位移、最大应变以及第一阶屈曲模态。在此基础上，建立了以上下翼面为优化对象和以上下翼面和所有梁腹板为优化对象的两个优化设计模型，目标函数为结构重量，并且考虑了翼盒结构的强度、刚度和稳定性以及有关的制造要求，利用工程软件OptiStruct对复合材料翼面进行优化。整个翼面设计优化过程包括三个阶段：自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化。在优化的每一个阶段分析了优化后的质量、最大位移、最大应变、第一阶屈曲模态的变化情况，优化结果表明，通过三个阶段的优化，在满足刚度、强度和稳定性三种约束的要求下，而且在施加了制造约束的前提下，明显减轻了翼面结构的质量，达到了预期的目的。
　　本文进行了复合材料C型截面梁腹板的厚度优化研究，以整个梁腹板为研究对象，并将其划分为两个区域、四个区域和十四个区域，同时进行尺寸优化求出每个区域的最优厚度，以降低孔周围以及梁腹板根部的应变集中，优化结果表明，在将最大应变减低到许用应变的范围之内的前提下，合理地划分较多的区域，则需要加强的质量较低。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第二章 复合材料力学基础和结构优化设计理论与方法

2.1 复合材料经典层压板理论

2.2 结构优化设计理论概述

2.3 结构优化设计方法简介

2.4 满应力/应变设计（FSD）

2.5 OptiStruct优化设计

2.6基于OptiStruct的复合材料层压板优化设计

2.7 本章小结

第三章 复合材料翼盒结构优化设计

3.1 复合材料翼盒结构建模

3.2 翼面的三级优化设计

3.3 上下翼面及梁腹板的三级优化设计

3.4 本章小结

第四章 复合材料C型截面梁分区域开孔补强优化设计

4.1 复合材料C型截面梁结构模型

4.2 层压板结构开口补强设计特点

4.3 复合材料梁开孔分区域补强优化设计

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参 考 文 献

致谢

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