先進復合材料格柵加筋結構優(yōu)化設計與損傷分析.pdf

1、先進復合材料格柵加筋結構(AGS)綜合新材料技術和新結構設計的優(yōu)點，不僅具有一般復合材料結構的比強度和比剛度高的特點，同時擁有環(huán)境魯棒性、自動化制造技術等獨特的優(yōu)勢，已被廣泛應用于航天航空結構中，成為最具發(fā)展前途的新型結構形式之一。本文根據(jù)航天和航空飛行器中復合材料AGS板/殼構件和結構的特點，從總體和局部，統(tǒng)觀和精細等層次，對該結構的分析模型、理論、方法和破壞過程開展了較為深入的研究，并獨立開發(fā)了相應的分析軟件包AGSANS。該項研究

2、是國家重點基礎研究發(fā)展計劃973計劃課題“超輕多孔材料和結構創(chuàng)新構型的多功能化基礎研究”(2006CB601205)和國家自然科學基金面上項目“含損傷先進復合材料格柵加筋結構(AGS)破壞機理研究”(10302004)子課題的重要研究內容之一，同時還得到中國運載火箭研究院十五攻關預研項目《先進復合材料格柵加筋結構的力學分析與優(yōu)化設計》的資助。本論文主要研究工作如下： 1.復合材料AGS結構優(yōu)化設計混合遺傳算法 復合材料A

3、GS結構優(yōu)化設計是一個非線性優(yōu)化問題，且存在多約束、離散和連續(xù)變量并存等難點?；谶@些難點，本文將遺傳算法與單純形法相結合提出了一種混合遺傳算法，可以較快得到全局最優(yōu)解。同時將遺傳算法進行了改進，也對單純形法中存在的若干問題給出了解決方案。優(yōu)化目標為給定外載下使復合材料AGS圓柱殼的重量最小，同時滿足穩(wěn)定性和應變約束條件。其中，對AGS結構的分析是基于等效剛度模型。設計變量包括連續(xù)變量(肋骨厚度、斜肋鋪設角度)和離散變量(蒙皮鋪層、肋骨

4、高度、斜肋間距)。通過對有無強度約束和不同加筋形式對優(yōu)化結果的影響分析，發(fā)現(xiàn)整體穩(wěn)定性為控制AGS圓柱殼結構安全度的最主要約束因素，等格柵結構在側壓下是最有效的結構形式。 2.復合材料AGS圓柱殼的魯棒優(yōu)化設計方法 通常在制造過程中，對構件尺寸和位置都規(guī)定了公差，因此，在進行結構設計時有必要將這些因素考慮在內。為此，本文基于上述混合遺傳算法提出了一種針對非完善復合材料AGS圓柱殼的魯棒優(yōu)化設計方法，同時考慮了優(yōu)化目標和約

5、束的魯棒性。為了簡化運算過程，提高優(yōu)化分析效率，通過敏度分析方法選取對優(yōu)化結果影響較大的設計變量作為魯棒優(yōu)化設計變量(本問題為肋骨高度和斜肋鋪設角度)。典型算例結果表明，魯棒優(yōu)化設計結果與傳統(tǒng)確定性優(yōu)化結果相比差別較大，表明魯棒設計是很必要的。此外，AGS圓柱殼對初始幾何非圓度缺陷不敏感。 3.復合材料三角形精細Mindlin加筋板/殼單元 由于AGS結構的復雜性和肋骨往往較高，以往的有限元分析模型都存在各種不足。本文構

6、造了用于復合材料AGS結構分析的復合材料三角形精細Mindlin加筋板/殼單元，并推導了考慮幾何大變形的非線性有限元列式。在構造過程中假定肋骨和蒙皮橫向位移相同，但轉角采用相同形函數(shù)分別插值，這樣既保證兩者變形協(xié)調性，又放松了肋骨轉動的約束。在此單元中，肋骨放置的數(shù)量、位置和角度可以任意，為結構的單元網(wǎng)格剖分帶來了很大的便利。通過算例計算結果對比，表明本單元具有較好收斂性能，并能夠精確計算加筋結構的位移和面內應力，對于高肋格柵加筋結構表

7、現(xiàn)出了獨特的優(yōu)越性。另外，基于該單元還對正交格柵加筋板和等格柵圓柱殼進行了特征值屈曲和后屈曲分析。 4.復合材料AGS結構的損傷累積擴展分析 由于復合材料AGS結構損傷行為的復雜性，有關該方面的報道還很少。本文基于精細加筋單元模型提出了一種用于AGS結構的損傷啟始和擴展分析方法。該方法同時考慮了層內損傷和層間損傷，其中，層內損傷包括蒙皮纖維破壞、蒙皮基體開裂、蒙皮纖維-基體剪切破壞以及肋骨纖維破壞，而層間損傷為蒙皮分層損

8、傷。對于層內損傷采用材料常數(shù)退化準則；而對于分層損傷，提出了一種新的等效剛度退化準則。另外基于三角形單元提出了一種適用于薄板和中厚層合板的層間剪切應力有限差分計算方法。通過典型算例證明了該損傷模型用于AGS結構分析的有效性，并詳細分析了中心含孔復合材料正交各向異性格柵加筋曲板和光板在軸壓下的損傷擴展機理和行為。 5.復合材料AGS結構混合分析模型 結合等效剛度模型和精細加筋單元模型構造了一種混合分析模型，即對于需要特殊研