CN106202597A - 一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料分析技术。涉及一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法。本发明分两级对复合材料加筋壁板结构进行优化分析。第1级对复合材料加筋结构的筋条布置进行拓扑优化，确定筋条布置位置以及加筋条形式；第2级在第1级优化的基础上进一步进行铺层优化，确定铺层角度、厚度，进一步减轻结构重量。通过两级优化，获得高效率的复合材料加筋壁板结构。本发明通过拓扑优化和铺层优化两个过程，可获得更高效率的复合材料加筋壁板结构形式；可以保证复合材料结构的安全可靠性，减轻结构重量20％以上，避免设计的盲目性，以较经济的重量、成本实现设计要求，从而缩短飞行器研制周期，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法

技术领域

本发明属于材料分析技术，涉及一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法。

背景技术

复合材料具有各向异性和可设计性强的特点，只有根据结构特点更好地进行优化设计，才能更高效地满足设计要求。加筋壁板结构是飞行器上常用的一种结构形式，对于金属结构来说，由于具有各向同性的特点，可以同时完成筋条位置、形式以及厚度优化分析，而对于复合材料来说，由于具有各向异性的特点，其结构形式是一层层铺设，每层角度都有可能不同，无法直接进行筋条位置、形式以及铺层角度、厚度优化分析，因此现有的复合材料加筋壁板结构优化分析方法，仅仅是在设计人员将复合材料加筋布置好以后，强度分析人员对结构的铺层进行优化。由于筋条布置主要依靠设计人员经验进行布置，不能充分发挥复合材料的优越性。

发明内容

本发明的目的是：发明一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法，辅助复合材料加筋壁板结构的设计，提高材料利用率，减少复合材料试验件数量，降低成本。

本发明的技术方案是：一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法，其特征在于，包括2个步骤：

步骤1.复合材料加筋壁板结构拓扑优化

1)建立复合材料加筋壁板结构的有限元模型；

2)假设复合材料加筋壁板结构由各向同性的铝合金材料组成；

3)以结构的变形能最小作为目标函数；

4)以剩余质量为原设计质量的40％作为约束函数；

5)以结构元件的有无作为设计变量；

6)通过仿真计算确定加筋结构质量分布，去除质量分布40％以下部分，根据拓扑优化结果确定加复合材料加筋壁板结构的加筋布置。

步骤2.复合材料加筋壁板结构铺层优化

1)根据步骤1确定复合材料加筋壁板结构加筋布置，建立用于铺层优化的有限元模型；

2)以最小重量为设计目标；

3)以复合材料加筋壁板结构铺层的失效指数大于1为约束条件；

4)以每种铺层角的厚度作为设计变量，对复合材料加筋壁板铺层进一步优化，确定最后结构铺层。

根据上述步骤1和步骤2的方法对复合材料加筋壁板结构进行优化分析，可获得复合材料加筋壁板结构最终形式。

本发明的优点是：

1、本项发明通过拓扑优化和铺层优化两个过程，可获得更高效率的复合材料加筋壁板结构形式；

2、本项发明可以保证复合材料结构的安全可靠性，减轻结构重量20％以上，避免设计的盲目性，以较经济的重量、成本实现设计要求，从而缩短飞行器研制周期，具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为复合材料机翼壁板结构拓扑优化有限元模型

图2拓扑优化的区域P1和区域P2

图3为复合材料机翼壁板结构筋条布置

图4为复合材料机翼壁板结构铺层优化有限元模型

图5为优化后铺层失效指数

具体实施方式

复合材料机翼壁板优化分析。

1复合材料机翼壁板结构简介

复合材料机翼壁板结构，其几何尺寸700mmX350mmX30mm，纵向承受压缩载荷220000N。

2拓扑优化

如图1所示，根据复合材料机翼壁板结构形式建立了壁板拓扑优化有限元模型，共8000个体单元，采用各向同性铝合金材料进行分析。

如图2所示，复合材料机翼壁板结构按性质分成P1和P2两个区域，下部分P1作为基本结构，不进行优化，厚度为3mm，上部分P2是进行优化的部分，厚度27mm。

如图3所示，给出拓扑优化分析结果。分析以层压板性质P2作为设计变量，以变形能最小作为目标函数，以剩余质量为原设计质量的40％作为约束函数。

3铺层优化

如图4所示，根据拓扑优化确定壁板布置四根加筋，需要对结构铺层进一步优化，以较小的重量代价满足结构承载要求。建立的铺层优化有限元模型，材料5224/G827，结构初始铺层质。

首先将每种性质的每个铺层定义为模型变量，设置初始厚度，确定优化区间。最后以最小重量为设计目标，以每个铺层的失效指数小于0.94作为约束条件，进行优化分析。

如图5所示，给出分析结果见，获得每个铺层角对应的厚度，保证结构失效指数满足规定。优化后铺层形式满足设计要求，重量降低27％。

Claims (1)

1.一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.复合材料加筋壁板结构拓扑优化

1)建立复合材料加筋壁板结构的有限元模型，将其当作由各向同性的铝合金材料组成；

2)以复合材料加筋壁板结构的变形能最小作为目标函数，以剩余质量为原设计质量的40％作为约束函数，以复合材料加筋壁板结构的筋条有无作为设计变量，利用有限元程序，通过分析确定复合材料加筋壁板结构的质量分布，去除质量分布40％以下部分，根据拓扑优化结果确定复合材料加筋壁板结构的加筋布置；

步骤2.复合材料加筋壁板结构铺层优化

根据步骤1确定的复合材料加筋壁板结构的加筋布置，建立铺层优化有限元模型，以最小重量为设计目标，以复合材料铺层的失效指数大于1为约束条件，以每种铺层角的厚度作为设计变量，对复合材料加筋壁板结构的铺层进一步优化，确定最后复合材料加筋壁板结构铺层。