层合板结构的振动和稳定性分析及其优化设计

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1、学校代码10406分类号TB123密级学号120085233层合板结构的振动和稳定性分析及其优化设计作者彭文辉指导教师吴锦武教授学科、专业航天工程申请学位级别硕士申请学位日期2015年4月授予学位单位南昌航空大学CompositeLaminatedPlatesVibrationandStabilityAnalysisAndOptimizationDesignAThesisSubmittedforMasterDegreeofAerospaceEngineeringbyPengWenhuiUndertheSupervisionof

2、Prof.WuJinwuSchoolofAircraftEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaApril,2015摘要复合材料因具有比强度高，比刚度大,材料性能可设计等优点而在航空航天，汽车船舶等工业中被广泛的应用。现代航空航天工业的发展对飞行器提出了强动力、高载荷的要求，这也对结构的振动特性和稳定性提出了更高的要求。复合材料层合板是飞行器的主要承载构件。层合板铺设角度和铺层顺序的改变会对结构性能造成显著影响，因此分析结构参数对振动特性和稳定性的影响有着重要的实

3、际意义。本文针对层合板的振动分析、稳定性分析和结构优化设计展开了研究。首先，对层合板自由振动的固有频率进行了分析。本文采用有限元方法计算层合板的固有频率。通过数值分析验证了该方法计算结果的精确性，并分析了铺层数，铺设角度，铺设方式，边界条件对固有频率的影响。结果表明：采用本文计算方法来求解不同边界条件下的层合板固有频率可获得足够精确的结果；铺设角度，铺设方式和边界条件均对层合板的固有频率有不同程度的影响。其次，对层合板的稳定性进行了分析。本文采用经典层合理论结合稳定性理论的方法推导出了受单向压缩载荷和剪切载荷作用的层合板临界屈

4、曲载荷计算方法。通过数值分析验证了理论计算的精确性，并分析了长宽比，弹性模量比，跨厚比，铺设角度和边界条件对单向压缩临界载荷的影响。结果表明：该方法对求解层合板的临界失稳载荷有较高的精确度；层合板的长宽比，弹性模量比，跨厚比，铺设角度和边界条件均对层合板的稳定性有不同程度的影响。最后，对层合板的频率和稳定性进行双目标优化。以层合板自由振动的第一阶固有频率和单向压缩临界载荷为目标函数，采用改进的遗传算法得出了层合板在不同边界和不同长宽比下的最优铺设角度，为实际应用中层合板的结构优化设计提供依据。数值模拟表明：优化结果可有效提高层

5、合板的基频和稳定性；边界条件和长宽比均会对会优化效果产生影响。关键词：复合材料层合板；固有频率；稳定性；遗传算法；结构优化。IABSTRACTCompositematerialshavebeenwidelyusedinaerospace,vehicleandnavigationindustryforitsdistinctadvantagesofhighstrengthratio,highstiffnessratioandtailorability.Thedevelopmentofmodernaerospaceindustryd

6、emandsmoreadvancedaircraftswithstrongerimpetusandhigherload-bearingcapacity.Asthemainload-bearingcomponentsofaircraft,compositelaminatesareinheritedwithstronganisotropy.Thechangeoffiberorientationanglesandstackingsequenceshasaremarkableimpactonstructuralperformance;

7、thereforeitisofimportantpracticalsignificancetoanalyzetheinfluenceofthestructureparametersonthevibrationcharacteristicsandstructuralstability.Researchesonthevibrationanalysis,stabilityanalysisandstructuraloptimizationdesignofcompositelaminatesarepresentedinthispaper

8、.Firstly,thenaturalfrequenciesoffreevibrationofcompositelaminatesareanalyzed.Finiteelementmethodisappliedtoobtainthenaturalfrequencyoflami