基于中心法的桁架类夹芯板多目标结构优化

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1、大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名．鸯垒导师签名：大连理工大学硕士学位论文1绪论1。1周期性桁架类夹芯结构概述当今社会，节约能源与材料对结构设计者提出了艰巨的挑战，当然设计师的要求是保证功能与性能的前提下来减轻结构重量，这从理

2、论上分析有两条路；其一，改变设计；其二，改变材料。在传统的设计中，考虑到减重，航空航天飞行器构件的结构材料通常是铝合金和复合材料，来满足对结构的强度刚度等力学性能要求；考虑到多功能，通常结构中一部分材料用来满足对结构的强度刚度等力学性能要求，另一部分材料则用来满足隔热、电子屏蔽以及振动阻尼等要求。这种材料设计，选择与结构功能的分离设计，不能同时满足上述技术要求，更不能在大幅度降低重量的同时实现多功能的目标[1-4】。在结构设计日臻完善的今天超轻质高承载力是航空航天等高技术工业领域对结构性能的迫切需求。近年来，随着计算技术、材料科学、制造技术的飞速发展，复合材料，

3、功能梯度材料、蜂窝夹芯材料、泡沫材料及多孔固体等结构由于具有轻质、高比强度、高比刚度、耐撞击、抗冲击，减震、隔音，隔热等综合功能而在航空航天飞行器设计中得到普遍的关注与青睐【孓研。轻质金属泡沫夹芯结构和蜂窝夹芯结构己经广泛应用于航空航天结构【1翔，尤其是周期性桁架夹芯结构以其特有的结构特点【9】被认为是当前国际上认为最具前景的新型先进轻质超强韧结构[4-Io!，已经开始应用子卫星主体结构”¨3】。多孔金属材料和结构在高能耗装备领域(汽车、高速列车、航空航天器、轮船、武器装备等)的广泛应用，不仅会大幅度降低对常规能源，材料的需求，同时也可减少环境污染。图1．1几种

4、常见的桁架类夹芯板Fig．1．13Dtruss∞mwithdiffexentpolyhedronshapes桁架类夹芯结构(亦称为橱格材料或点阵材料)可以充分发挥芯体密度低的特点以加大构件厚度，提高构件弯曲刚度，使得面板材料的强度和模量得到充分利用，所以采用这种结构可使结构刚度变大、重量减轻，因而有利于提高屈曲载荷与固有频率、减小变基于中心法的桁架类夹芯板多目标结构优化形，也有利于隔音、隔热和减振；由于有了光滑的表面而有了良好的空气动力学性能；由于其规则相互连通的空穴可以存储液体和压缩气体以为它用，这是其它夹芯结构所不具备的闭。由于受弯构件其上下表面处的应力最大

5、，且应力与弯曲刚度成反比，从而夹芯结构用于抗弯和抗压构件就可以充分发挥高性能复合材料的强度和刚度。因而新型周期性空间桁架夹芯结构功能材料的设计能够实现材料设计、结构设计和功能设计一体化协同优化设计．1．2国内外研究现状桁架类夹芯板由于其良好的力学性能(轻质、高比强度、岗比刚度等)和多功能性(散热、屏蔽、降噪等)而受到越来越多的重视，近年陆续有学者对桁架夹芯结构材料的等效性能参数预测和结构及多功能优化设计进行探索性研究．从1995年开始，美国国防高等研究署(DARPA)和海军研究局(ONR)共同资助哈佛大学、剑桥大学和麻省理工学院主持的有关超轻金属结构的大型项目，

6、资助额度累计超过1500万美元，主要研究泡沫金属的制备、性能及应用。在此基础上，近年来又对点阵材料(1atticematerial)的研发提供强力资助。此外，美国能源部依托橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLab)在2000年启动了FreedomCar项目，定下了2006年和2012年分别达到汽车自重减轻40％和60％的目标，而实现该目标的主要技术手段就是开发轻质结构材料。德国在1999年也启动了一个在政府和汽车制造商支持下由几十所大学、研究所参加的有关泡沫金属材料大型研究项目，侧重于这些材料在汽车工业中的应用前景【121。我国在这方面起步比较晚

7、，但高度重视。已将其列入“973计划”——国家重点基础研究发展规划，启动“超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究”项目，整合国内知名高校与科研院所，旨在实现材料性能到结构性能一体化设计；还有由程耿东院士负责的国家自然科学基金重点项目“超轻质结构设计新理论”，主要进行超轻质多功能结构新构型设计优化理论和方法的研究。随着这些课题的进展相信我国在超轻质结构材科的应用上将呈现出崭新的局面。下面，在理论分析、实验研究、多功能特性研究以及优化设计进展等方面论述国内外的研究进展。1．2．1理论分析方法桁架类夹芯结构力学性能的理论分析就是寻求计算其力学性能参数(包括等效弹

8、性模量、剪切模量、泊松比