功能梯度材料構(gòu)件分析與設(shè)計.pdf

1、梯度功能材料(Functionally Graded Material，F(xiàn)GM)是一種由兩種或兩種以上材料組成的可以設(shè)計組分空間分布的復(fù)合材料。研究者們對于FGM的研究有著極大興趣。尤其在航空航天領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景，受到了飛機設(shè)計部門的廣泛關(guān)注。減重是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計所關(guān)心的重要問題。目前飛機機身結(jié)構(gòu)環(huán)形框主要是金屬材料，為了研發(fā)新型飛機，設(shè)計部門要求探討采用梯度材料代替鈦合金以進(jìn)一步減輕重量、提高性能的可行性。本項研究以梁結(jié)構(gòu)為主要

2、設(shè)計構(gòu)件，利用考慮翹曲的梁理論，建立分析基本模型，通過拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化等方法，確定功能梯度材料構(gòu)件的材料最優(yōu)分布以及過渡區(qū)的材料性質(zhì)的梯度變化規(guī)律。本文的主要內(nèi)容如下： 1．在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜述了功能梯度材料的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，指出功能梯度材料研究的重要意義。 (詳見第一章)2．簡要介紹了考慮翹曲的梁理論以及常用的拓?fù)鋬?yōu)化方法，通過理論推導(dǎo)，得出適合于設(shè)計梁截面功能梯度材料拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計模型，對教研組原有程序進(jìn)行改進(jìn)

3、，使其應(yīng)用于功能梯度材料的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，通過優(yōu)化分析得到了在不同載荷和不同網(wǎng)格劃分情況下，功能梯度梁截面的最優(yōu)材料分布。 (詳見第二章)3．研究層合結(jié)構(gòu)層間梯度層的最優(yōu)布置問題。對于不同材料組成的層合結(jié)構(gòu)，梯度層的位置決定了各層材料的厚度，從而可實現(xiàn)承載能力和不同材料用量的設(shè)計。以層合粱為對象，建立了以梁的承載效率(承載能力與所用材料價格的比值)為目標(biāo)的最優(yōu)梯度層設(shè)計優(yōu)化問題的提法和求解方法。通過設(shè)計梯度層的位置布置使整個梁截面性能達(dá)到

4、最優(yōu)。 (詳見第三章)4．對機身結(jié)構(gòu)某典型框進(jìn)行了分析，實現(xiàn)了原始模型的參數(shù)化建模，并以最小重量為目標(biāo)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計優(yōu)化。以優(yōu)化結(jié)果為依據(jù)，初步設(shè)計了材料的分布，并嘗試將FGM設(shè)計方法運用到工程實際當(dāng)中，得到了較好的效果。 (詳見第四章)本文工作得到了國家自然科學(xué)基金(編號：10332010， 10421202)和國家重點基礎(chǔ)研究計劃(973計劃)(編號：2006CB601205)以及教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”培養(yǎng)計劃(2004)的資助