复合材料薄壁加筋结构优化设计与增材制造综述

复合材料薄壁加筋结构因具有轻质量、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等优点,逐渐被用于航空航天、舰船邮轮、特种工程等高端装备制造。主要从薄壁加筋先进结构设计方法、复合材料增材制造工艺及复合材料薄壁加筋结构在航空航天领域的应用3个方面对当前研究进展和应用情况进行综述。针对加筋结构优化设计,概述了参数化方法、形状优化方法、拓扑优化方法及其他新型设计方法的基本原理;围绕复合材料增材制造技术,讨论了具体制造工艺的发展现状,以及其纤维铺放/打印路径规划方法;并梳理了航空航天高端装备领域中典型的复合材料薄壁加筋结构应用;最后总结了复合材料薄壁加筋结构-工艺协同设计的发展趋势及面临的关键挑战。

薄壁加筋结构复合材料特种包装箱体的制备

本文简要介绍薄壁加筋结构复合材料包装箱RTM的成型工艺过程 ,分析了包装箱生产中的铺层方式、注射压力等因素对制品成型过程的影响 ,测试了RTM专用树脂在不同固化剂、促进剂比例下的凝胶时间和玻璃钢硬度 ,确定促进剂和固化剂比例 ,制备了结构致密。

复合材料薄壁加筋结构局部稳定性分析的谱单元法

工程结构的有限元数值分析往往采用粗网格模型,这导致压、剪或其联合载荷作用下的薄壁加筋结构初始屈曲临界载荷计算误差过大,而采用四边简支板的工程校核方法强化了实际约束效应,进一步加大了误差。为此,采用p-收敛的升阶谱元法,计算复合材料四边简支及弹性支承层合板的屈曲特征值;同时提取粗网格单元的实际应力状态,对复合材料薄壁加筋结构局域初始屈曲临界载荷进行了分析计算。结果表明:谱单元方法可很好的收敛于四边简支板的理论解,计算效率较高;局域薄壁加筋结构的谱单元方法可高效收敛于整体薄壁加筋结构的局部稳定性解,且能计及加强筋对复合材料层合板的弹性支承作用,更准确的模拟了加筋板的实际约束效应。

大直径薄壁结构强度变差系数研究现状与展望

本文以受压屈曲失效薄壁加筋结构为对象,综述了仿真预估强度变差系数相关技术。梳理了影响结构强度不确定性设计参量及其测量、统计表征方法;针对薄壁结构屈曲强度受初始几何形貌影响显著问题,调研了考虑初始几何等缺陷的高精度有限元仿真方法;为实现薄壁结构承载能力高效打靶计算,研究了常用代理模型构建相关技术及其适用情况。并针对目前薄壁加筋结构强度变差仿真预估解决方案的局限性,提出了相应解决途径及技术展望。

基于改进粒子群算法的大型薄壁加筋结构多点协调校形优化方法研究

大型薄壁加筋结构局部非均匀造成加工成形后存在翘曲变形,在装配前确定校形点的位置和校形量是降低装配应力、减小装配偏差的关键。提出了一种用于多点协调校形的校形点寻优方法,基于有限元仿真、坐标映射和双线性插值的方法,建立包含任意校形位置和校形量对应变形结果的数据库,以校形后薄壁结构型面偏差的均方根值最小为目标函数,基于改进粒子群算法迭代求解最优校形点位置及其校形量,研究大型薄壁加筋结构校形点数量对校形后偏差的影响,确定不同偏差模式下的薄壁结构的最优校形点数量,研究三种典型偏差模式下大型薄壁加筋结构的校形点选取结果和最终校形效果,验证了该方法的有效性。

加筋薄壁结构振动声辐射理论及应用

加筋薄壁结构经常被应用在建设工程中,并在单个结构的基础上组合成复杂结构,了解这种结构的振动声辐射理论能够为减振降噪性能的提高和加筋薄壁结构的优化奠定理论基础。为此,本文分析了结构振动和声辐射之间的关系,以及薄壁结构和声腔耦合效应,并以金属外壳模板耦合振动及声辐射为例分析了振动声辐射理论在加筋薄壁结构中的应用。

筋的截面形状对薄壁结构振动疲劳性能的影响

筋条的截面形状对薄壁结构的振动疲劳性能具有重要影响。对L型和T型加筋薄板进行振动试验,研究固支条件下L型筋和T型筋对薄板频率和振动疲劳寿命的影响,并从理论角度分析其原因;利用MSC有限元软件研究在正弦分布载荷下六种不同截面形状(矩形、L型、T型、I型、Z型、∏型)的筋条在给定边界条件(固支、简支)下,对薄板的频率、应力和振动疲劳寿命的影响,并对加筋板的寿命进行预测。结果表明:六种加筋构型中,Z型加筋板的第一阶固有频率最大,加筋板Von Mises应力最大点出现在同样的位置;固支条件下,加筋板的破坏位置在板的左右两侧,Z型加筋板寿命最长;简支条件下,破坏位置出现在板的中央,L型加筋板的寿命最长。

基于MSC.Nastran/HyperWorks的薄壁圆筒隔框结构拓扑优化设计

薄壁加筋结构是航空航天领域常见的一种结构型式,这类结构的强度分析和优化设计广泛地受到关注。相比自行开发软件,合理地结合商业有限元软件的优势开展结构分析和优化设计更加简单实用,且易于飞机结构设计人员掌握。提出了一个基于MSC.Nastran和HyperWorks的完整的结构分析和优化设计流程。首先,在MSC.Nastran中进行整体结构的建模和分析,然后将隔框从整体结构中隔离出来,将MSC.Nastran分析得到的隔框边界节点的位移信息作为强制位移载荷施加给隔框,然后基于HyperWorks的优化模块对隔离出的隔框单独做优化分析和拓扑结构设计。该流程合理地结合了MSC.Nastran的结构分析功能和HyperWorks的优化功能,以薄壁圆筒隔框结构中隔框部分的拓扑优化为例详细说明了流程的全部细节,通过算例表明该结构分析和优化设计流程普遍适用于大型复杂结构的优化设计问题。

基于Kriging代理模型的复合材料加筋结构的并行子空间优化设计方法

提出了基于Kriging代理模型的并行子空间法对复合材料加筋结构进行优化设计.该方法将整个优化问题分为布局优化、尺寸优化和铺层厚度优化三个并行的子问题.设计变量也依次分为三种对应子问题的设计变量.利用参数化建模的方法,借助试验设计与代理模型技术,将布局、尺寸和铺层厚度变量作为设计变量生成试验点,然后分别在三个子空间内建立Kriging代理模型,其中每一个子问题在优化过程中都将另外两类变量作为状态变量,优化后将所有结果综合协调,更新设计变量值并重复整个优化过程,直到满足收敛条件.在优化结束后使用等效弯曲刚度法得到最优铺层顺序.最后,在优化的基础上,通过协调稳定性约束,实现综合优化.本文完成了一个算例,算例结果表明,该方法简单且优化效率高.

基于模态的航天器快速动静载荷叠加算法研究

为了快速计算航天器结构中动静载荷叠加的响应,需要在后处理时针对载荷进行组合负载。本文针对火箭薄壁加筋舱段结构的爆炸分离阶段进行了包络仿真研究,提出了基于模态数据进行坐标变化的快速动静载荷叠加响应算法,并采用数值积分方法进行求解,发现动静载荷叠加中若忽略相位的影响会导致航天器结构设计方案安全裕度较高的结果。本文对比了商用软件与基于模态的快速动静载荷叠加算法的响应计算结果,结果表明,计算结果基本一致但后者具有速度快、效率高的特点。本文还结合爆炸分离的载荷时序进行不同相位差、不同时间差下的多参数动响应优化。