先進(jìn)復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與損傷分析.pdf

1、先進(jìn)復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)(AGS)綜合新材料技術(shù)和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，不僅具有一般復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度和比剛度高的特點(diǎn)，同時(shí)擁有環(huán)境魯棒性、自動化制造技術(shù)等獨(dú)特的優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于航天航空結(jié)構(gòu)中，成為最具發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)形式之一。本文根據(jù)航天和航空飛行器中復(fù)合材料AGS板/殼構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從總體和局部，統(tǒng)觀和精細(xì)等層次，對該結(jié)構(gòu)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(dú)立開發(fā)了相應(yīng)的分析軟件包AGSANS。該項(xiàng)研究

2、是國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973計(jì)劃課題“超輕多孔材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型的多功能化基礎(chǔ)研究”(2006CB601205)和國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“含損傷先進(jìn)復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)(AGS)破壞機(jī)理研究”(10302004)子課題的重要研究內(nèi)容之一，同時(shí)還得到中國運(yùn)載火箭研究院十五攻關(guān)預(yù)研項(xiàng)目《先進(jìn)復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)》的資助。本論文主要研究工作如下： 1.復(fù)合材料AGS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)混合遺傳算法 復(fù)合材料A

3、GS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)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(diǎn)。基于這些難點(diǎn)，本文將遺傳算法與單純形法相結(jié)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(shí)將遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)，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(biāo)為給定外載下使復(fù)合材料AGS圓柱殼的重量最小，同時(shí)滿足穩(wěn)定性和應(yīng)變約束條件。其中，對AGS結(jié)構(gòu)的分析是基于等效剛度模型。設(shè)計(jì)變量包括連續(xù)變量(肋骨厚度、斜肋鋪設(shè)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(qiáng)度約束和不同加筋形式對優(yōu)化結(jié)果的影響分析，發(fā)現(xiàn)整體穩(wěn)定性為控制AGS圓柱殼結(jié)構(gòu)安全度的最主要約束因素，等格柵結(jié)構(gòu)在側(cè)壓下是最有效的結(jié)構(gòu)形式。 2.復(fù)合材料AGS圓柱殼的魯棒優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 通常在制造過程中，對構(gòu)件尺寸和位置都規(guī)定了公差，因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)有必要將這些因素考慮在內(nèi)。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(fù)合材料AGS圓柱殼的魯棒優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮了優(yōu)化目標(biāo)和約

5、束的魯棒性。為了簡化運(yùn)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(jié)果影響較大的設(shè)計(jì)變量作為魯棒優(yōu)化設(shè)計(jì)變量(本問題為肋骨高度和斜肋鋪設(shè)角度)。典型算例結(jié)果表明，魯棒優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與傳統(tǒng)確定性優(yōu)化結(jié)果相比差別較大，表明魯棒設(shè)計(jì)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(fù)合材料三角形精細(xì)Mindlin加筋板/殼單元 由于AGS結(jié)構(gòu)的復(fù)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(gòu)

6、造了用于復(fù)合材料AGS結(jié)構(gòu)分析的復(fù)合材料三角形精細(xì)Mindlin加筋板/殼單元，并推導(dǎo)了考慮幾何大變形的非線性有限元列式。在構(gòu)造過程中假定肋骨和蒙皮橫向位移相同，但轉(zhuǎn)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(diào)性，又放松了肋骨轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的單元網(wǎng)格剖分帶來了很大的便利。通過算例計(jì)算結(jié)果對比，表明本單元具有較好收斂性能，并能夠精確計(jì)算加筋結(jié)構(gòu)的位移和面內(nèi)應(yīng)力，對于高肋格柵加筋結(jié)構(gòu)表

7、現(xiàn)出了獨(dú)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(jìn)行了特征值屈曲和后屈曲分析。 4.復(fù)合材料AGS結(jié)構(gòu)的損傷累積擴(kuò)展分析 由于復(fù)合材料AGS結(jié)構(gòu)損傷行為的復(fù)雜性，有關(guān)該方面的報(bào)道還很少。本文基于精細(xì)加筋單元模型提出了一種用于AGS結(jié)構(gòu)的損傷啟始和擴(kuò)展分析方法。該方法同時(shí)考慮了層內(nèi)損傷和層間損傷，其中，層內(nèi)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(nèi)損傷采用材料常數(shù)退化準(zhǔn)則；而對于分層損傷，提出了一種新的等效剛度退化準(zhǔn)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(yīng)力有限差分計(jì)算方法。通過典型算例證明了該損傷模型用于AGS結(jié)構(gòu)分析的有效性，并詳細(xì)分析了中心含孔復(fù)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(kuò)展機(jī)理和行為。 5.復(fù)合材料AGS結(jié)構(gòu)混合分析模型 結(jié)合等效剛度模型和精細(xì)加筋單元模型構(gòu)造了一種混合分析模型，即對于需要特殊研