复合材料机翼结构工程优化设计与分析方法

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1、硕士学位论文复合材料机翼结构工程优化设计与分析方法OPTIMIZATIONDESIGNANDENGINEERINGANALYSISMETHODSOFCOMPOSITEWING张大为哈尔滨工业大学2015年6月哈尔滨工业大学工学硕士学位论文国内图书分类号：V224+.1学校代码：10213国际图书分类号：543.4密级：公开工学硕士学位论文复合材料机翼结构工程优化设计与分析方法硕士研究生：张大为导师：尹维龙副教授申请学位：工学硕士学科：工程力学所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学

2、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文ClassifiedIndex:V224+.1U.D.C:543.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringOPTIMIZATIONDESIGNANDENGINEERINGANALYSISMETHODSOFCOMPOSITEWINGCandidate：DaweiZhangSupervisor：AssociateProf.WeilongYinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeci

3、ality：EngineeringMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要和传统材料相比，复合材料具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、耐高温、抗疲劳和抗冲击等优点，已广泛应用到航空航天领域；复合材料的可设计性是其一大特点，通过优化其铺层角度、铺层顺序和丢层区域，最终提高结构的各项

4、性能指标。因此，复合材料结构优化具有重要的实际应用意义。在复合材料结构优化的工程实际应用中，面临着两个主要问题，一个是目前商用的复合材料结构分析软件没有集成对复合材料的优化算法，研究人员根据特定工况，需编写分析计算程序和优化算法。不仅增加优化周期，也无法实现通用性。第二个问题是复合材料结构优化的设计变量规模不同于金属结构，表现为设计变量数目庞大、类型既有离散的，又有连续的、同时变量之间相互影响。为了提高优化效率，必须选择合适的优化算法，同时降低设计变量数目。本文从工程实际的角度出发，对纤维铺层复合材料优化进行了

5、一定程度的探索。首先对层合板结构和夹芯结构的本构方程、失效模式以及其有限元理论进行研究，找到一种CAD到CAE转换方法，运用该种办法对建立的机翼结构件数字模型进行力学分析。其次借助Matlab遗传算法工具箱，编写遗传算法，并且针对复合材料结构优化所存在的特定问题，将遗传算法进行改进，通过组合优化策略提高优化效率。最后使用工程优化软件Isight搭建优化平台，通过整合数据处理工具Matlab以及目标函数计算工具MSC.Patran/Nastran等不同类别的专业软件，完成了对蒙皮稳定性、机翼弯曲刚度以及蜂窝夹芯结

6、构强度这些机翼典型问题的模拟，得到了优化后的复合材料铺层信息。文章得出以下结论：1、借助Hypermesh有限元前处理工具，能够直接对几何模型进行操作，实现数字模型到有限元模型的无缝转换，同时修补破面、漏面，具有很强的通用性，能大幅提高工程有限元分析效率；2、创新性的提出了将多岛遗传优化算法和梯度优化算法进行组合这一优化策略，在一定程度上弥补了传统遗传算法在局部收索能力上的不足，同时缩短了收敛所需的代数，提高了优化效率；3、通过Isight优化平台，能够整合多岛遗传优化算法、梯度优化算法、以及有限元分析工具，使

7、复合材料优化工作变得通用化、自动化、参数化、直观化；4、本文的优化方法很好的解决了复合材料机翼典型结构，包括层合结构和夹芯结构的优化分析问题，通过与其他文献对比证明优化结果合理可靠，是具有工程使用价值的；-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5、采用二维壳单元与三维实体单元相结合的办法，解决了夹芯厚度方向应力分布的计算和控制单元数量之间的矛盾。关键词：复合材料；铺层设计；遗传算法；屈曲；离散优化；有限元-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractDifferentfromtraditionalmater

8、ials,compositematerialhasmanyobviousadvantages,suchashighratioofstrengthtoweight,highratioofstiffnesstoweight,highthermalexpansioncoefficient,hightemperatureresistance,fatigueresistance,impactre