考虑强度和疲劳寿命影响的层合复合材料结构优化分析

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1、中图分类号：TB33论文编号：102870218-S079学科分类号：085202硕士学位论文考虑强度和疲劳寿命影响的层合复合材料结构优化分析研究生姓名王红岩学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向结构强度指导教师崔海涛教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一七年十二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringOptimizationofcom

2、positelaminatestructuresundertheconstraintofstrengthandfatiguelifeAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyWangHongyanAdvisedbyProf.CuiHaitaoSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDecember,2017承诺书本人声明所呈交

3、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复合材料凭借其自身优异性能已经在航空航天领域得到广泛应用。先进的

4、碳纤维树脂基复合材料已经被用于飞机发动机外涵道整流罩或外涵道机匣，复合材料在应用中通常以层合结构为主要结构形式。复合材料层合结构作为航空发动机中的重要结构部件，在其工作过程中要求具有较好的静强度及疲劳寿命，以满足工程所需。同时为改善飞机的综合性能，航空发动机对推重比的要求在不断提高，而通过对复合材料层合结构进行优化设计，可使其质量减轻，从而达到提高其推重比的目的。因此为了更好的发挥复合材料层合结构自身的潜力，研究出将强度和疲劳寿命作为影响因素的复合材料层合结构优化方法，具有一定的工程实际意义。首先，

5、针对碳纤维树脂基复合材料层合结构，本文研究了静载及疲劳载荷作用下的三维逐渐累积损伤分析方法并建立了强度和疲劳寿命预测模型。基于所建立的强度和疲劳寿命预测模型分别对单向板、各向异性层合板、含孔层合板三种不同试件的强度和疲劳寿命进行预测并将预测结果与试验结果对比。结果表明：三种不同试件的强度预测误差绝对值均在8%以内，三种不同试件的疲劳寿命预测值均在三倍误差带以内，验证了预测模型的合理性。其次，开展了复合材料层合结构优化方法研究。根据复合材料层合结构特性，以C++语言为工具，编写了基于遗传算法的复合材料

6、层合结构优化程序。由于层合复合材料结构优化属于离散型设计变量问题，本程序设计并实现了考虑铺层数和铺层角度的联合整数编码；为了能快速准确收敛到全局最优值，本程序设计并实现了自适应策略结合精英保留策略的改进遗传算法。最后，对复合材料层合板和某航空发动机复合材料机匣含孔主铺层进行优化分析。以预测模型分析所得的强度和疲劳寿命值作为约束条件，通过对结构特性分析选取铺层参数为设计变量，以结构质量为优化目标，结合改进的遗传算法对层合结构进行优化。结果表明：优化后结构质量明显降低，将单一约束和强度和疲劳寿命双约束下

7、的最优铺层力学性能进行对比，可知双约束时最优铺层的强度和疲劳寿命值要优于单约束求得最优铺层对应的强度和疲劳寿命值。关键词：强度，疲劳寿命，遗传算法，复合材料，铺层优化I考虑强度和疲劳寿命影响的层合复合材料结构优化分析ABSTRACTCompositematerialshavebeenwidelyusedinthefieldofAeronauticsandAstronauticsbecauseoftheirexcellentperformance.Advancedcarbonfiberreinforc

8、edpolymercompositeshavebeenappliedtofairingoroutercasingofaircraftengines.Laminatedstructuresareusuallyusedasmainstructuresincompositeapplications.Laminatedcompositestructure,asanimportantstructuralcomponentofaeroengine,requiresbetterst