具有等距密排微小孔的穿刺模板力学分析和结构优化

摘要

具有等距密排微小孔结构的穿刺模板用在正交叠层碳布织机上，在制造碳纤维立体织物的整体穿刺工艺中起到重要作用。在整个穿刺过程中，要求穿刺模板必须保证足够的刚度，几乎不能出现板面上的弯曲变形;进一步需要减小穿刺模板的质量，从而减小其往复惯性力，减小整个机构的振动和噪声。由于穿刺模板上开有近千个紧密排列的微小孔，其刚度被极大的削弱，直接用有限元软件也无法处理，基于此本文针对穿刺模板力学分析和结构优化设计展开了研究。
　　本文采用当量板理论，用当量实心板代替具有密排微小孔的穿刺模板，用两种方法求出了穿刺模板等效弹性模量的表达式，一种是从细观层次出发用渐进均匀化方法，另一种是从宏观角度采用薄板弯曲理论。随后结合有限元分析依托ANSYS平台，求出多种规格穿刺模板的开孔率剩余弹性模量曲线。
　　利用当量实心板对穿刺模板进行力学分析，经静力学分析得出了穿刺模板的挠度，进一步求出了等效板厚的估算公式;经动力学分析得出了穿刺模板的振动特性，进一步讨论了开孔率对穿刺模板固有频率和振动模态的影响，研究发现随着开孔率的增加，穿刺模板的固有频率降低。
　　穿刺模板的结构优化仍利用穿刺模板的当量实心板，借助ANSYS APDL进行结构优化设计。在简要介绍ANSYS优化模块里子问题逼近法和一阶寻优法的理论之后，具体阐述了穿刺模板的优化模型和流程，经上述两种方法得出了穿刺模板厚度的两个最优解，总结了在使用ANSYS进行优化设计时所遇到的典型问题，分析了形成原因并提出了解决方法。
　　由于在求解等效弹性模量时需要使用有限元方法离散，所求等效弹性模量的准确性与单元的选取和节点的数量密切相关。因此本论文设计了实验以测试穿刺模板的开孔率剩余弹性模量曲线上的特征数据点。经实验验证，开孔率在20％～50％时，渐进均匀化解、薄板理论解和实验结果三者数值吻合的较好;当开孔率高于50％时，渐进均匀化解更接近实验所得。整体上看，在个数据点处等效弹性模量的渐进均匀化解均低于实验值，表明细观渐进均匀化方法更为可靠，而当开孔率不高时采用薄板弯曲理论求等效弹性模量时有操作简单的优势。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 穿刺模板力学分析和结构优化设计的研究现状

1．2．1 穿刺模板的力学分析

1．2．2 穿刺模板的结构优化设计

1．3 课题的主要内容及论文结构安排

第二章 穿刺模板等效弹性性能分析

2．1 概述

2．2 求解等效弹性模量的理论

2．2．1 求解等效弹性模量的渐进均匀化方法

2．2．2 基于薄板弯曲理论求解等效弹性模量的方法

2．3 穿刺模板等效弹性模量的求解

2．3．1 穿刺模板等效弹性模量的渐进均匀化解

2．3．2 基于薄板弯曲理论的穿刺模板等效弹性模量

2．4 穿刺模板的规格和其等效弹性模量关系的分析

2．5 本章小结

第三章 穿刺模板的力学性能分析

3．1 概述

3．2 穿刺模板的静力分析

3．2．1 穿刺模板弯曲变形的理论分析和有限元仿真

3．2．2 穿刺模板等效厚度估算公式

3．3 穿刺模板的振动特性分析

3．3．1 振动特性的理论分析

3．3．2 穿刺模板振动特性仿真

3．4 本章小结

第四章 穿刺模板的结构优化设计

4．1 概述

4．2 结构优化设计的基本理论

4．2．1 结构优化设计的数学模型

4．2．2 优化设计方法

4．2．3 基于ANSYS的优化设计理论

4．3 穿刺模板的优化设计

4．3．1 穿刺模板的优化模型

4．3．2 基于ANSYS的优化流程

4．3．3 优化结果及分析

4．4 本章小结

第五章 穿刺模板等效弹性模量的验证实验

5．1 概述

5．2 穿刺模板试样单向拉伸实验的设计

5．3 实验的准备、实验过程和实验数据

5．4 实验数据分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文主要取得的研究成果

6．2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢