热效应下基于超单元法的薄壁结构优化设计方法研究

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1、中图分类号：V214.4论文编号：102870118-S200学科分类号：082501硕士学位论文热效应下基于超单元法的薄壁结构优化设计方法研究研究生姓名原潇学科、专业飞行器设计研究方向飞行器结构设计指导教师王志瑾教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonSuperelement-BasedO

2、ptimizationDesignMethodofThin-walledStructurewithThermalEffectAThesisinFlightVehicleDesignbyYuanXiaoAdvisedbyProf.WangZhijinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究

3、成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要如何选用材料以及设计结构使得其能够经受住高速飞行时受到的气动热载荷是高速飞行器设计面临的一个重要挑战。已有的热结构设计方法中热分析

4、模型与力学响应分析模型之间数据转换繁琐，优化周期长。故急需发展一种新的方法，既有足够的精度，又无需复杂繁琐的计算模型，来提高飞机热结构初始设计阶段的工作效率。因此，探索热效应下飞机结构的快速设计方法具有重要的实用意义。本文针对热载荷作用下的金属和复合材料薄壁结构，提出了一种超单元热―力分析方法。首先建立了结构的热分析模型并编写了温度场分布求解MATLAB程序。将薄壁结构沿自身长度方向划分为若干个超单元，建立了超单元热―力分析模型。根据热弹性力学和有限元基本理论，推导出基于广义力与广义位移的超单元刚度矩阵

5、，构建了热载荷下结构求解的系统方程，并编写了MATLAB求解程序。其次对四个典型的薄壁结构进行了热―力分析，计算结果与解析解或ABAQUS有限元计算结果吻合较好，验证了超单元热―力分析方法的准确性。同时研究了超单元划分个数、结构锥度对计算精度的影响。根据满应力/满应变设计思想，提出了基于超单元法的热结构优化设计方法。利用该方法分别对三个不同材料的薄壁结构进行了尺寸优化，通过对比不同条件下的优化结果，研究了温度载荷对结构重量的影响。超单元热―力优化方法在保证一定精度的前提下能够有效地减少工作量，节省建模时

6、间，在薄壁热结构的初步设计阶段具有广阔的应用前景。关键词：薄壁结构，超单元法，复合材料，热―力耦合，尺寸优化I热效应下基于超单元法的薄壁结构优化设计方法研究ABSTRACTAgreatchallengeinthedesignofhigh-speedaircraftishowtoselectmaterialsandhowtodesignstructurestowithstandaerodynamicthermalloadsduringhigh-speedflight.However,intheexisti

7、ngthermalstructuredesignmethod,thedataconversionbetweenthethermalandmechanicalanalysismodelistediousandtheoptimizationperiodislong.Therefore,itisurgenttodevelopanewmethod,whichnotonlyhasenoughprecision,butalsodoesnotneedcomplicatedcalculationmodel,toimpr

8、ovetheefficiencyoftheinitialdesignphaseofthermalstructure.Itisofgreatpracticalsignificancetoexploretherapiddesignmethodofaircraftstructureunderthermaleffect.Asuperelement-basedthermo-mechanicalanalysismethodisproposedforth