復(fù)合材料等效性能計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、本文密切結(jié)合航空、航天工業(yè)發(fā)展的需求，系統(tǒng)地研究了復(fù)合材料等效性能的預(yù)測和設(shè)計(jì)問題，致力于復(fù)合材料等效性能研究和復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 復(fù)合材料等效性能的精確預(yù)測對于復(fù)合材料的應(yīng)用和設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的作用，而目前應(yīng)用較多的均勻化方法存在數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜、靈敏度計(jì)算效率不高等缺點(diǎn)。本文首先提出新的計(jì)算正交各向異性復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)等效性能的“能量法”，即以正交各向異性復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)為例，構(gòu)建特定的微結(jié)構(gòu)邊界條件，探討微結(jié)構(gòu)變形能和均質(zhì)等效體

2、變形能的關(guān)系，或微結(jié)構(gòu)散熱弱度與均質(zhì)等效體散熱弱度之間的關(guān)系，分為靜力、熱膨脹、熱傳導(dǎo)三類問題。在此基礎(chǔ)上，將復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散，以微結(jié)構(gòu)中有限單元材料密度(或偽密度)為設(shè)計(jì)變量，結(jié)合SIMP單元材料插值模型，推導(dǎo)出復(fù)合材料等效性能參數(shù)靈敏度的解析表達(dá)式。與均勻化方法相比，能量法具有數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡單，靈敏度分析簡潔，程序?qū)崿F(xiàn)方便的特點(diǎn)，為復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)．材料一體化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。但該方法也具有一定的局限性，利用該方

3、法無法精確預(yù)測各向異性材料的等效性能。 減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)性能是工程人員永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)，復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用極大地減輕了飛行器的結(jié)構(gòu)重量，提高了其載重比。因此高性能輕質(zhì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)方法的研究對于航空、航天及國防工業(yè)都具有重要的意義。本文基于能量法進(jìn)行具有特定彈性性能的復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以材料用量為約束實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)設(shè)計(jì)，按照需求進(jìn)行復(fù)合材料彈性性能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了具有極端彈性性能的復(fù)合材料設(shè)計(jì)，如最大拉伸模量。同理，實(shí)現(xiàn)二維、三

4、維最佳傳熱性能的復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)具有極端彈性性能及傳熱性能的多功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)。巨大的溫度變化使得部分儀器產(chǎn)生熱變形，影響儀器的精度及性能，為此本文利用給定性能的復(fù)合材料設(shè)計(jì)方法進(jìn)行零熱膨脹系數(shù)的材料設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了具有零、負(fù)泊松比的復(fù)合材料或具有零、負(fù)熱膨脹系數(shù)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)。上述優(yōu)化數(shù)值算例表明：基于能量法可以有效地進(jìn)行二維、三維正交各向異性材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在航天、航空等領(lǐng)域中高性能的復(fù)合材料設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景

5、。 基于連續(xù)材料插值模型的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中往往存在中間密度，為了更好地發(fā)揮材料的潛力，本文提出了結(jié)構(gòu)．材料一體化設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行宏觀結(jié)構(gòu)的材料布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，以優(yōu)化得到的材料布局為約束，以宏觀結(jié)構(gòu)的整體性能為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行宏觀單元的微觀構(gòu)型設(shè)計(jì)。針對靜力學(xué)問題和穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題實(shí)現(xiàn)了二維、三維結(jié)構(gòu)-材料一體化設(shè)計(jì)，比較了不同的微結(jié)構(gòu)有限單元數(shù)目對優(yōu)化得到的宏觀結(jié)構(gòu)影響，同時(shí)比較了不同的微結(jié)構(gòu)層數(shù)對于宏觀結(jié)構(gòu)性能的影響。