復合材料機翼結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化設計與分析方法.pdf

1、和傳統(tǒng)材料相比，復合材料具有比強度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫、抗疲勞和抗沖擊等優(yōu)點，已廣泛應用到航空航天領域；復合材料的可設計性是其一大特點，通過優(yōu)化其鋪層角度、鋪層順序和丟層區(qū)域，最終提高結(jié)構(gòu)的各項性能指標。因此，復合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的實際應用意義。在復合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工程實際應用中，面臨著兩個主要問題，一個是目前商用的復合材料結(jié)構(gòu)分析軟件沒有集成對復合材料的優(yōu)化算法，研究人員根據(jù)特定工況，需編寫分析計算程序和優(yōu)化算法。不僅

2、增加優(yōu)化周期，也無法實現(xiàn)通用性。第二個問題是復合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設計變量規(guī)模不同于金屬結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為設計變量數(shù)目龐大、類型既有離散的，又有連續(xù)的、同時變量之間相互影響。為了提高優(yōu)化效率，必須選擇合適的優(yōu)化算法，同時降低設計變量數(shù)目。
　　本文從工程實際的角度出發(fā)，對纖維鋪層復合材料優(yōu)化進行了一定程度的探索。首先對層合板結(jié)構(gòu)和夾芯結(jié)構(gòu)的本構(gòu)方程、失效模式以及其有限元理論進行研究，找到一種CAD到CAE轉(zhuǎn)換方法，運用該種辦法對建立的機翼結(jié)

3、構(gòu)件數(shù)字模型進行力學分析。其次借助Matlab遺傳算法工具箱，編寫遺傳算法，并且針對復合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化所存在的特定問題，將遺傳算法進行改進，通過組合優(yōu)化策略提高優(yōu)化效率。最后使用工程優(yōu)化軟件Isight搭建優(yōu)化平臺，通過整合數(shù)據(jù)處理工具Matlab以及目標函數(shù)計算工具MSC.Patran/Nastran等不同類別的專業(yè)軟件，完成了對蒙皮穩(wěn)定性、機翼彎曲剛度以及蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)強度這些機翼典型問題的模擬，得到了優(yōu)化后的復合材料鋪層信息。研究表明

4、：⑴借助Hypermesh有限元前處理工具，能夠直接對幾何模型進行操作，實現(xiàn)數(shù)字模型到有限元模型的無縫轉(zhuǎn)換，同時修補破面、漏面，具有很強的通用性，能大幅提高工程有限元分析效率；⑵創(chuàng)新性的提出了將多島遺傳優(yōu)化算法和梯度優(yōu)化算法進行組合這一優(yōu)化策略，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)遺傳算法在局部收索能力上的不足，同時縮短了收斂所需的代數(shù)，提高了優(yōu)化效率；⑶通過Isight優(yōu)化平臺，能夠整合多島遺傳優(yōu)化算法、梯度優(yōu)化算法、以及有限元分析工具，使復合材料