复合材料结构优化设计及其在化工工艺中的应用

化工工艺中常用的材料主要包括金属、陶瓷、有机聚合物、玻璃、石蜡等,它们具有不同的物理特性,在不同的工艺条件下,需要选用不同的材料。传统上,化工工艺中大多数都是根据经验进行材料的选型,很少考虑采用多种材料复合形成高性能新型材料的方式,不能完全满足化工工艺对材料的要求。复合材料具有优异的物理性能和力学性能,兼具有结构优化设计、成型工艺适应性强、重量轻、强度高、耐腐蚀等优点,完全能满足化工工艺的各种要求,得到广泛应用。

飞机复合材料结构优化设计研究

复合材料因其具有轻量化、高强度以及耐腐蚀性等特点被广泛地应用于航空领域,给飞机结构设计带来了一种全新的选择。研究飞机复合材料结构优化设计问题,应从铺层设计、材料、力学性能、制造工艺和热性能方面进行分析优化,着重讨论如何进行多学科协同优化,以达到能够综合改善结构性能的目的。研究结果表明:合理的铺层设计与材料选择可以有效地增强复合材料结构性能,制造工艺与热性能设计的优化对于提升结构长期稳定性具有至关重要的作用。

大型复合材料结构优化设计方法研究

建立了适合于大型复合材料结构的优化设计方法,该方法在复合材料结构有限元分析的基础上对复合材料结构进行优化设计。在建立有限元模型时应用了区域划分技术,然后对结构分两级进行优化:第一级是对结构的铺层角度进行优化,第二级对结构的铺层厚度进行优化。最后,以工字梁结构为例,进行了算法验证。

基于神经网络响应面的复合材料结构优化设计

用正交试验设计的方法选择样本点构建神经网络响应面,将神经网络响应面作为优化的目标函数或约束条件,加上其它常规约束条件建立优化模型,应用遗传算法(GA)进行优化,形成一套适用于复杂结构设计的高效优化方法。以复合材料帽型加筋板的重量优化问题为例,建立了加筋板模型的重量响应面目标函数、强度和稳定性响应面约束条件;并用PATRAN/NASTRAN进行有限元计算,获取用于响应面训练的样本点数值。算例表明:该方法能以很少的有限元分析次数,取得高精度的响应面近似模型,并且使优化效率大大提高。

航空电子设备复合材料结构优化设计概述

复合材料由于其良好的性能而在航空电子设备中的应用越来越广泛。讨论了航空电子设备复合材料结构优化设计技术,对优化的数学模型展开论述,介绍了优化的五个层次的材料工艺优化、拓扑优化、位置优化、尺寸优化和铺层优化,同时阐述了它们的特点和相应的优化算法。继而针对航空电子设备,研究了复合材料结构综合优化方法。通过对某型天线罩进行结构优化设计,结果表明了优化方法的可行性。

基于Abaqus和modeFRONTIER的复合材料结构优化设计方法

复合材料结构优化设计包括几何尺寸、铺层层数和铺层顺序的优化设计,通常采用多级优化技术,将几何尺寸、铺层层数和铺层顺序逐级进行优化。本文使用一个十进制数字表示一个复合材料层合板的铺层顺序,作为铺层顺序的设计变量。将有限元软件Abaqus与优化软件modeFRONTIER集成,采用Python语言编写的铺层顺序的算法,对复合材料结构的几何尺寸、铺层层数和铺层顺序进行同步优化。

基于CATIA的复合材料结构优化设计

简述了CATIA软件在复合材料结构设计中的应用,利用CATIA设计软件中的Composit Design(复合材料设计)和Generative Structural Analysis(有限元结构分析)模块对复合材料方形盖体进行三维实体结构设计与力学分析。通过计算得出了方形盖体的工艺角α=14°时,方形盖体的密封面变形最小,优化了方形盖体的结构,利用CATIA中的Core&Cavity Design(阴阳模设计)模块设计出复合材料方形盖体的阴阳模。

基于改进差分进化算法的复合材料结构优化设计

提出了一种改进的S形变异差分进化算法并对该算法在复合材料结构优化方面的应用进行了研究。首先,分析了控制参数对差分进化算法收敛性和寻优能力的影响机理;其次,针对控制参数对差分进化算法的影响机理,借鉴生物繁殖的“S形曲线”规律,提出变异率的“S形曲线”变化趋势,提出改进的差分进化算法SDE,数值算例证明该算法具有较好的全局寻优能力;最后,针对复合材料结构优化设计问题,建立了基于SDE算法的优化计算系统,利用该优化计算系统对某空间运载器复合材料构件进行了优化设计,优化结果较初始设计质量减小36.5%。

面向制造成本的变刚度复合材料结构优化设计

传统的复合材料结构设计方法未能有效利用复合材料的面内设计空间,变刚度结构的实用化为复合材料结构效能的提升提供了新的机会。使用制造工艺成本模型,以制造成本为目标函数,建立结构性能约束和制造约束,通过路径函数法和平移法对一型大展弦比机翼进行变刚度设计,建立了以制造成本为目标的变刚度复合材料结构设计优化方法,实现制造成本减少23.87%,结构减重35.58%,并分析了不同纤维路径对变刚度结构构型设计、性能、质量和制造过程的影响。

工程化复合材料结构优化设计方法

复合材料结构的可设计性带来大量设计变量,单靠传统方法难以实现结构优化,复合材料结构优化的铺层优化设计也是关键问题之一。从工程实际出发,探讨具有工程操作性的复合材料结构优化设计方法,形成从结构布置优化到初始尺寸优化,再到详细铺层优化的三级优化设计方法,并在设计过程中加入符合复合材料工艺要求的制造性约束;以某飞机复合材料垂尾翼盒结构设计为例,采用该方法对其进行优化设计。结果表明:本文提出的三级优化设计方法是适用于航空复合材料结构优化设计的一种通用方法,可降低结构质量、缩短研制周期。

全碳纤维复合材料太阳能无人机机翼结构优化设计

针对大展弦比太阳能无人机的性能要求,开展碳纤维复合材料太阳能无人机机翼的优化设计。选用NACA4412为基准翼型,利用xfoil软件作为气动计算软件,基于NSGA-Ⅱ优化算法进行翼型优化。在此基础上对机翼进行三维建模,采用CFD软件进行气动特性分析,并利用ANSYS Workbench静力学模块对机翼进行流固耦合分析。结果表明:翼型优化后,升力系数提高4.20%,阻力系数降低8.74%,升阻比提高14.18%;在气动载荷作用下,从翼根向翼尖方向压力逐渐增大,翼尖处最大压力相对外界大气压力为242 Pa;在外载荷作用下,最大应力显示在翼根附近,为61.397 MPa,翼变形的最大值为40.262 mm,整体满足太阳能无人机的允许变形量在5%以内即翼尖变形不得大于半翼展长度值的5%的刚度要求。研究结果可为碳纤维复合材料太阳能无人机设计和研制提供理论参考。

复合材料尾门结构的拓扑-参数一体化轻量化设计

以某新能源车型的尾门为研究对象,结合注塑长玻纤增强复合材料,提出了一种结构拓扑参数一体化轻量化设计方法,并为尾门性能仿真和优化设计分别建立了联合仿真和常规仿真模型,提高了仿真精度和优化效率。首先,基于常规仿真模型通过三步式结构概念设计优化并重新设计了复合材料尾门结构。然后,建立了用于后续多目标优化的联合仿真模型,并通过样件试制和性能试验进行了验证。最后,利用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对尾门的筋条厚度、关键位置厚度、截面尺寸进行了详细优化。优化后的复合材料尾门质量比原钢制尾门减小了27.2%,同时尾门扭转刚度、横向刚度、弯曲刚度及自由模态满足应用要求。

纤维增强复合材料机翼结构设计及优化

当今航空航天工业正处于飞速发展的时代,对于机翼结构设计的要求也日益提高,纤维增强复合材料因其优异的性能而备受青睐。传统的金属材料虽满足机翼强度与刚度要求,往往会牺牲飞机的整体重量,而纤维增强复合材料轻质高强的特性能,显著减轻了飞机的重量,提高了其性能及燃油效率,降低了运营的成本。航空工业的不断发展,对飞机的航程、载荷以及飞行速度等提出了更高的要求,机翼结构在满足强度与刚度要求的同时,还要尽可能地减小气动阻力,提高飞机的飞行效率,纤维增强复合材料的优异性能使其在这方面有着巨大的潜力。另外,纤维增强复合材料相比传统金属材料具有更好的可再生性与可回收性,能更好地满足环保要求。总之,纤维增强复合材料机翼结构设计及优化,不仅能提升了飞机的整体性能与燃油效率,还促进了航空工业向环保、可持续的方向发展。

复合材料薄膜盖结构与功能一体化设计

目的解决传统硬质泡沫塑料易碎盖存在的承压能力不足、冲破性能不稳定、不能有效防潮控湿、电磁兼容性差等缺陷。方法以某型导弹武器系统发射筒密封盖为主要应用对象开展薄膜盖设计,主要包括总体结构设计、零部件设计、功能设计及仿真验证。结果薄膜盖经密封、承压、冲破、电磁兼容等性能考核,均满足装备贮存使用要求,冲破盖体所受的最大峰值冲击力可稳定保持在1200~1600 N。结论建立了薄膜盖结构与功能一体化设计方法,可满足在研型号对新型密封盖的设计需求,并为新型号弹箭发射筒大尺寸密封盖的顺利研制提供技术储备。

FRP复合材料闸门结构优化设计研究

FRP复合材料具有诸多优势,在中小型水利工程闸门中具有良好的应用前景。此次研究利用数值模拟的方式,展开FRP复合材料闸门结构优化设计。结果显示,FRP复合材料闸门的最佳结构应为正交内筋、弧形面板,该结构闸门在不同工作温度下均显示出良好的性能,适合在工程建设中广泛采用。

复合材料风力机叶片参数化设计及优化

风力机叶片重量过大不仅会影响叶片的结构性能,还会增加运输、维修等成本。为解决叶片质量问题,本文选取经典的1.5 MW复合材料风力机叶片,叶片主梁、腹板、前缘和后缘分区铺设不同的复合材料。由于复合材料的铺设厚度从叶根向叶尖呈现递减趋势,且失效位置也多位于叶根处,故取距离叶根约1/3部分为研究对象来简化问题。为便于后期优化,采用ANSYS APDL参数化构建复合材料风力机叶片模型。考虑到陷入局部最优的情况,选择子集模拟优化方法进行随机优化。设计变量为腹板位置,约束函数为极限载荷下叶片满足位移及Tsai-Wu准则校核,目标为叶片重量最小。通过30组子集模拟优化统计结果可知:当腹板位置约在29.4%、53.3%弦长处时,相较于确定性设计,叶片减重约15.4%。最终结果表明,该优化方法在风力机叶片结构优化方面具有可行性,且优化结果对工程设计具有参考价值。

卫星承力筒复合材料结构的优化设计

应用 JIFEX软件对大型通信卫星主承力结构——中心承力筒的复合材料结构进行优化设计。在优化设计中考虑了固有频率和屈曲稳定性的约束条件 ,使用了多种类型的设计变量 ,对蜂窝夹芯材料采用了一种离散材料变量连续化处理方法。进行了多种方案的优化设计和比较 。

氢燃料电池密封复合材料的本构模型及密封结构优化

氢燃料电池(PEMFC)是清洁和可再生能源的重要发展目标,其内部密封系统的可靠性设计直接影响了整个燃料电池的长期稳定运行。因此,设计并制备了满足PEMFC密封要求的含固、液2种类型三元乙丙橡胶的复合密封材料。基于该复合材料的制备,采用自主开发的软件筛选出3种高精度的超弹性本构方程。采用有限元方法计算构建的PEMFC单电池模型的接触压力,得到了更合理的Lambert-Diani-Rey超弹性本构模型。另外,提出了4种截面形状的密封结构,压力分布规律表明,圆角梯形截面密封结构具有明显优势。利用正交试验设计筛选出圆角梯形截面密封件底边长度与倒角尺寸分别为2.4 mm×0.9 mm,同时满足密封和最大平均接触应力要求。

面向一体化设计的船用碳玻混杂复合材料帽型加筋板结构多尺度分析

[目的]复合材料设计与结构设计一直处于分离的“双轨”状态,旨在提升船用复合材料结构的极限强度,提出复合材料与结构一体化设计方法。[方法]基于多尺度方法,建立细观材料与宏观结构的尺度关联,探究细观参数对宏观加筋板极限强度的影响以及碳玻层内混杂与层间混杂的力学性能差异,通过对比分析获得更优结构形式。[结果]采用建立的微-细-宏观力学模型,改善了复合材料细观参数,提高了宏观加筋板极限强度。通过调整TC33纱线间距和纱线截面积、WR纱线截面积、混杂方式,使得设计的复合材料帽型加筋结构具有更优的极限强度。[结论]通过多方案对比寻优,在满足规范要求的前提下可实现材料与结构一体化设计,为新一代舰船设计提供理论指导和技术支撑。

可重复使用航天器耐高温复合材料结构设计技术

针对未来可重复使用航天器需求,本文首先简要分析了国外典型重复使用航天器耐高温复合材料结构设计技术应用进展与特点,包括美国X系列、追梦者飞行器。然后从结构选材、设计和分析等方面,论述了可重复使用航天器大量应用先进耐高温树脂基复合材料整体结构相关的主要工程技术现状和发展方向,从工程应用角度为未来可重复使用航天器结构研制提供理论分析。最后介绍了未来需开展的可重复使用航天器耐高温复合材料结构设计技术重点研究内容。