半硬式平流層飛艇骨架精細(xì)化分析與輕量化設(shè)計(jì).pdf

1、平流層飛艇是一種能夠在平流層長(zhǎng)時(shí)間駐留，并具有控制系統(tǒng)和推進(jìn)裝置的新型浮空器，因其具有卓越的軍事和民用價(jià)值而受到世界各國(guó)的普遍重視。由于平流層的空氣密度僅為地面的1/14，這意味著平流層飛艇要獲得足夠的升力就必須具有更大的體積和更輕的重量。因此，輕量化設(shè)計(jì)是平流層飛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。在這方面，國(guó)外雖然已開(kāi)展了一些研究工作，但相關(guān)資料很少。本文針對(duì)平流層飛艇的CFRP（Carbon-Fiber Reinforced Plastic）

2、復(fù)合材料骨架系統(tǒng)，綜合運(yùn)用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和優(yōu)化分析等技術(shù)，對(duì)CFRP管的穩(wěn)定性、CFRP桁架節(jié)點(diǎn)的極限承載能力、CFRP桁架的抗彎、抗扭性能以及CFRP骨架的輕量化設(shè)計(jì)等問(wèn)題，開(kāi)展了系統(tǒng)研究，力求建立相應(yīng)的精細(xì)化數(shù)值模擬方法和輕量化設(shè)計(jì)方法，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)平流層飛艇的技術(shù)突破提供技術(shù)支撐。主要進(jìn)行了如下幾方面的工作：
　　首先，開(kāi)展了CFRP短管軸心受壓試驗(yàn)，獲得了相應(yīng)的構(gòu)件極限承載力和破壞模式；通過(guò)引入纖維束橫觀各向同性材料模型

3、和Hashin破壞準(zhǔn)則，建立了可考慮材料細(xì)觀損傷的CFRP管有限元分析方法；通過(guò)與短管軸心受壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明本文方法的精確性。其次，開(kāi)展了兩種管徑、五組長(zhǎng)細(xì)比的CFRP細(xì)長(zhǎng)管軸心受壓穩(wěn)定性試驗(yàn)；通過(guò)引入弧長(zhǎng)法并結(jié)合Hashin破壞準(zhǔn)則，建立了CFRP細(xì)長(zhǎng)管的軸壓穩(wěn)定性數(shù)值模擬方法；通過(guò)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃奢d-跨中撓度曲線及其破壞模式的模擬，證明了數(shù)值模擬方法的有效性。最后，采用所提出的方法對(duì)具有不同長(zhǎng)細(xì)比和纖維體積含量的CFRP管進(jìn)行了軸壓

4、穩(wěn)定性參數(shù)分析，擬合得到了CFRP管的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式，為后續(xù)研究及相關(guān)工程應(yīng)用提供了參考。
　　以CFRP桁架節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，首先采用基于細(xì)觀力學(xué)的數(shù)值方法研究了三維編織復(fù)合材料節(jié)點(diǎn)的建模技術(shù)，包括材料常數(shù)的選取、單元類型的確定、網(wǎng)格大小的劃分等問(wèn)題，進(jìn)而探討了節(jié)點(diǎn)極限承載力確定方法，并通過(guò)與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了本文數(shù)值方法的正確性。然后，應(yīng)用基于拉丁超立方抽樣和Sobol’方差分解的多參數(shù)敏感性分析方法，對(duì)三維CFRP復(fù)合材料節(jié)點(diǎn)

5、進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，定量評(píng)估了節(jié)點(diǎn)各參數(shù)對(duì)其極限承載力的貢獻(xiàn)率。研究發(fā)現(xiàn)：主管徑厚比和主管直徑對(duì)極限承載力的敏感性大，而厚度比對(duì)極限承載力的敏感性小。最后，綜合運(yùn)用ANSYS軟件的零階算法和一階算法對(duì)含有主要參數(shù)的三維CFRP復(fù)合材料節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化分析，以節(jié)點(diǎn)體積最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)在相同受力情況下，應(yīng)力分布更加均勻，優(yōu)化效果良好。
　　設(shè)計(jì)并制作了兩個(gè)跨度3米長(zhǎng)的CFRP正三角形截面桁架，分別對(duì)其進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲和懸臂扭

6、轉(zhuǎn)狀態(tài)下的靜力加載試驗(yàn)，其中三點(diǎn)彎曲為破壞性試驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)為剛度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，桁架在三點(diǎn)彎曲狀態(tài)下的荷載-位移曲線具有明顯的雙線性特征，其破壞模式主要表現(xiàn)為上弦桿受壓失穩(wěn)。引入多尺度有限元技術(shù)對(duì)CFRP復(fù)合材料桁架進(jìn)行建模分析，在抗彎工況下，模擬結(jié)果與試驗(yàn)誤差為5.3％，證明該模型可以精確地預(yù)測(cè)桁架的極限承載力和破壞撓度?；诖擞邢拊Ｐ?，對(duì)桁架的外接圓直徑、桁架節(jié)數(shù)、弦桿與腹桿的壁厚等進(jìn)行參數(shù)分析；結(jié)果表明，桁架外接圓直徑和桁架弦桿

7、壁厚對(duì)桁架的抗彎剛度影響較大，桁架分節(jié)數(shù)對(duì)桁架的抗彎極限承載力影響較大，腹桿壁厚對(duì)桁架抗彎剛度和極限承載力影響很小。
　　建立了外輪廓為220m×60m×60m平流層飛艇整體骨架有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了兩端支撐狀態(tài)下的受力分析，通過(guò)提取各單榀桁架首尾和中部三個(gè)控制點(diǎn)的軸力和彎矩等力學(xué)指標(biāo)，建立了桁架分類標(biāo)準(zhǔn)，將整體飛艇骨架分為7類典型桁架。提出以“桁架節(jié)”為優(yōu)化變量并結(jié)合改進(jìn)遺傳算法的單榀桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，代替了傳統(tǒng)以桿件為單