蜂窝拓扑结构的频响特性分析与优化

摘要

在现代航空航天领域内，飞行器能否保持稳定优良的飞行状态一直被普遍关注。现代飞行器的发展方向是拥有自适应机翼，以便于在可控范围内实现机翼的自主形变——平面的拉伸和压缩、空间上的弯曲扭转等——来适应不同的空中环境变化。自适应机翼的研究重点是研制超弹性蒙皮，使其既可以形成流线型的机翼外表面，又可以承受垂直于其表面的局部气动载荷，还能够通过智能控制，实现上述的各种自主形变。现阶段，这种同时具备荷载能力和较大形变的超弹性蒙皮已经历过一些尝试，但在变形量、刚度、强度和抗振性等方面都不能很好地满足未来飞行器的要求。本文基于国家级自然基金课题“超弹性蒙皮结构的优化设计、变形机理研究”（项目编号:51075380），将现阶段的研究热点蜂窝芯结构应用于超弹性蜂窝芯蒙皮，针对现阶段蒙皮结构的不足以及各类蜂窝芯结构的特点，选用负泊松比六边形蜂窝芯结构，采取柔顺蜂窝芯布局，希望将结构的轻质高强、较大的变形能力和较强的抗振性等全面考虑，设计出能够具有普适性和可控性的自适应机翼蒙皮结构。此种机翼蒙皮的设计核心为负泊松比六边形蜂窝结构，对其结构性能的研究成为超弹性蒙皮研制的首要问题。
　　本文针对负泊松比蜂窝拓扑的频响特性问题，设定参数为蜂窝芯结构的主要尺寸，以提高蜂窝芯前二阶固有频率和减小结构质量为目标，将响应面法应用于蜂窝结构，选取二次表达式构造研究对象与目标间的近似函数关系。设计16次正交试验，进行ANSYS频响特性分析，使用加权系数法对各目标设定一定的权重系数，将前二阶固有频率和结构质量的多目标优化集合为单目标优化，引入遗传算法，对此单目标优化进行迭代和求解。具体算例表明，优化后的蜂窝拓扑结构在抗振性上有较大的提高，结构的质量也有了显著的降低。此种方法为超弹性柔顺蜂窝芯蒙皮的设计提供了一定的理论支持。文章主要包含以下几个方面的内容。
　　1.总结和阐释了国内外关于智能飞行器尤其是自适应机翼的研究现状，同时介绍和分析了研制超弹性蒙皮所需的智能材料和蜂窝结构，其中负泊松比六边形蜂窝拓扑结构是本文的研究重点。本文针对此结构展开研究框架，实施研究内容，奠定了以负泊松比六边形蜂窝拓扑结构研制超弹性蒙皮的基础。
　　2.运用响应面算法对蜂窝拓扑结构固有频率建模。阐述响应面法的原理和优势，同时在响应面法的经典数学模型中加入了中心展开点，对算法进行了改进。确立拓扑结构模型参数，针对该结构的频响特性建立低阶固有频率的数学模型，并确立了以复相关系数为基础的两种响应面建模方法的统计评价指标。分析和应用了响应面法中所使用的正交试验法，构建了建模—试验—优化的基本流程。
　　3.ANSYS有限元仿真试验，建立低阶蜂窝拓扑结构固有频率数学模型。对有限元法的原理和ANSYS软件操作做了一定的阐述，使用APDL语言对蜂窝拓扑结构进行参数化建模，利用设计的16次正交试验所得数据进行仿真试验，得到前四阶模态振型以及固有频率数值。推导出了以蜂窝拓扑结构尺寸参数为基础的低阶固有频率数学模型。
　　4.遗传算法优化，提高结构的前二阶固有频率，以最优集的方式将前二阶固有频率模型的多目标优化转换为单目标优化，最终大幅提升了拓扑结构的前二阶固有频率，同时得到了该模式下的参数组合。
　　以理论建模、仿真试验分析和算法优化相结合的研究方法，可靠性较高，为超弹性蜂窝蒙皮的实现奠定了基础，也为自适应机翼的稳定性研究提供了理论支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及目的

1．2 智能变形飞行器与自适应机翼

1．2．1 智能变形飞行器研究进展

1．2．2 自适应机翼研究进展

1．3 智能材料与蜂窝结构

1．3．1 智能材料

1．3．2 蜂窝结构特性

1．3．3 蜂窝结构研究进展

1．4 论文来源及主要内容

第2章 基于响应面法建立蜂窝拓扑结构固有频率数学模型

2．1 响应面法原理及优势

2．1．1 响应面法理论建模

2．1．2 加入中心点后的矩阵算法改进

2．1．3 建立响应面法多目标优化流程及h参数的引入

2．1．4 响应面数学模型的统计评价指标

2．2 试验设计

2．2．1 正交试验设计

2．2．2 正交设计应用于蜂窝拓扑结构

2．3 本章小结

第3章 有限元仿真分析试验及模型验证

3．1 有限元法原理及过程

3．2 前处理

3．2．1 蜂窝拓扑结构实体模型

3．2．2 定义材料特性

3．2．3 网格划分及模型加载

3．3 ANSYS模态分析

3．3．1 模态分析原理

3．3．2 ANSYS模态分析及模态扩展

3．3．3 对有限元模态仿真结果分析

3．4 前二阶固有频率数学模型

3．5 数学模型拟合程度评价

3．6 本章小结

第4章 遗传算法进行频晌特性优化

4．1 遗传算法简介

4．2 蜂窝拓扑结构多目标优化

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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