半硬式平流层飞艇骨架精细化分析与轻量化设计

发布时间：2017-09-11 06:10

  本文关键词：半硬式平流层飞艇骨架精细化分析与轻量化设计

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【摘要】：平流层飞艇是一种能够在平流层长时间驻留,并具有控制系统和推进装置的新型浮空器,因其具有卓越的军事和民用价值而受到世界各国的普遍重视。由于平流层的空气密度仅为地面的1/14,这意味着平流层飞艇要获得足够的升力就必须具有更大的体积和更轻的重量。因此,轻量化设计是平流层飞艇结构设计中的关键问题。在这方面,国外虽然已开展了一些研究工作,但相关资料很少。本文针对平流层飞艇的CFRP(Carbon-Fiber Reinforced Plastic)复合材料骨架系统,综合运用模型试验、数值模拟和优化分析等技术,对CFRP管的稳定性、CFRP桁架节点的极限承载能力、CFRP桁架的抗弯、抗扭性能以及CFRP骨架的轻量化设计等问题,开展了系统研究,力求建立相应的精细化数值模拟方法和轻量化设计方法,为实现我国平流层飞艇的技术突破提供技术支撑。主要进行了如下几方面的工作:首先,开展了CFRP短管轴心受压试验,获得了相应的构件极限承载力和破坏模式;通过引入纤维束横观各向同性材料模型和Hashin破坏准则,建立了可考虑材料细观损伤的CFRP管有限元分析方法;通过与短管轴心受压试验结果对比,证明本文方法的精确性。其次,开展了两种管径、五组长细比的CFRP细长管轴心受压稳定性试验;通过引入弧长法并结合Hashin破坏准则,建立了CFRP细长管的轴压稳定性数值模拟方法;通过对试验模型荷载-跨中挠度曲线及其破坏模式的模拟,证明了数值模拟方法的有效性。最后,采用所提出的方法对具有不同长细比和纤维体积含量的CFRP管进行了轴压稳定性参数分析,拟合得到了CFRP管的稳定承载力计算公式,为后续研究及相关工程应用提供了参考。以CFRP桁架节点为研究对象,首先采用基于细观力学的数值方法研究了三维编织复合材料节点的建模技术,包括材料常数的选取、单元类型的确定、网格大小的划分等问题,进而探讨了节点极限承载力确定方法,并通过与试验对比验证了本文数值方法的正确性。然后,应用基于拉丁超立方抽样和Sobol’方差分解的多参数敏感性分析方法,对三维CFRP复合材料节点进行了参数敏感性分析,定量评估了节点各参数对其极限承载力的贡献率。研究发现:主管径厚比和主管直径对极限承载力的敏感性大,而厚度比对极限承载力的敏感性小。最后,综合运用ANSYS软件的零阶算法和一阶算法对含有主要参数的三维CFRP复合材料节点进行了优化分析,以节点体积最小为优化目标,优化后的节点在相同受力情况下,应力分布更加均匀,优化效果良好。设计并制作了两个跨度3米长的CFRP正三角形截面桁架,分别对其进行了三点弯曲和悬臂扭转状态下的静力加载试验,其中三点弯曲为破坏性试验,扭转为刚度试验。试验结果表明,桁架在三点弯曲状态下的荷载-位移曲线具有明显的双线性特征,其破坏模式主要表现为上弦杆受压失稳。引入多尺度有限元技术对CFRP复合材料桁架进行建模分析,在抗弯工况下,模拟结果与试验误差为5.3%,证明该模型可以精确地预测桁架的极限承载力和破坏挠度。基于此有限元模型,对桁架的外接圆直径、桁架节数、弦杆与腹杆的壁厚等进行参数分析;结果表明,桁架外接圆直径和桁架弦杆壁厚对桁架的抗弯刚度影响较大,桁架分节数对桁架的抗弯极限承载力影响较大,腹杆壁厚对桁架抗弯刚度和极限承载力影响很小。建立了外轮廓为220m×60m×60m平流层飞艇整体骨架有限元模型,并对其进行了两端支撑状态下的受力分析,通过提取各单榀桁架首尾和中部三个控制点的轴力和弯矩等力学指标,建立了桁架分类标准,将整体飞艇骨架分为7类典型桁架。提出以“桁架节”为优化变量并结合改进遗传算法的单榀桁架结构拓扑优化方法,代替了传统以杆件为单元的编码方法,从而使优化计算具有更好的收敛性与稳定性;分别对7类典型桁架进行拓扑优化分析,再将优化后的典型桁架组装成新飞艇骨架,结果表明优化效果达到了5%。最后利用MATLAB软件开发了单榀桁架优化程序及其用户界面,方便了用户使用。
【关键词】：平流层飞艇 CFRP桁架 稳定承载力 参数敏感性 拓扑优化
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V274
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-35
• 1.1 课题背景15-25
• 1.1.1 平流层飞艇介绍15-18
• 1.1.2 军事背景分析18-19
• 1.1.3 CFRP复合材料19-22
• 1.1.4 CFRP复合材料在航空、航天领域的应用22-25
• 1.2 国内外研究现状及分析25-34
• 1.2.1 CFRP管构件强度和稳定性研究现状25-27
• 1.2.2 CFRP节点强度研究现状27-29
• 1.2.3 CFRP桁架承载性能研究状况29-31
• 1.2.4 桁架拓扑优化方法研究现状31-34
• 1.3 本文主要工作34-35
• 第2章 轴心受压CFRP管稳定性能研究35-54
• 2.1 引言35
• 2.2 CFRP短管轴压试验35-38
• 2.3 CFRP短管轴心受压数值模拟38-45
• 2.3.1 材料参数刚度转化39-41
• 2.3.2 破坏准则的选取41-42
• 2.3.3 损伤失效过程模拟42-45
• 2.3.4 短管试验与模拟结果45
• 2.4 CFRP长管轴压试验及数值模拟45-50
• 2.4.1 长管稳定性试验45-48
• 2.4.2 长管数值模拟方法48-49
• 2.4.3 长管试验与模拟结果49-50
• 2.5 CFRP细长管轴心受压稳定性分析50-52
• 2.5.1 管径对稳定承载力的影响50-51
• 2.5.2 纤维体积含量对稳定承载力的影响51
• 2.5.3 CFRP细长管稳定公式51-52
• 2.6 本章小结52-54
• 第3章 CFRP桁架节点参数敏感性分析及优化54-78
• 3.1 引言54
• 3.2 三维编织节点制备工艺54-58
• 3.3 基于细观力学的数值分析方法58-67
• 3.3.1 材料模型58-61
• 3.3.2 单元类型与网格密度61-63
• 3.3.3 加载方式与边界条件63-64
• 3.3.4 节点极限承载力的确定64-65
• 3.3.5 数值方法准确性验证65-67
• 3.4 节点参数敏感性分析67-73
• 3.4.1 参数敏感性分析方法67-70
• 3.4.2 节点参数及取值范围70
• 3.4.3 多参数归一化处理70-73
• 3.5 节点的优化分析73-77
• 3.5.1 节点优化方法73-75
• 3.5.2 典型节点优化75-77
• 3.6 本章小结77-78
• 第4章 CFRP桁架静力性能试验及数值模拟78-99
• 4.1 引言78
• 4.2 CFRP桁架设计与制备78-80
• 4.3 CFRP桁架静力试验80-89
• 4.3.1 桁架三点弯曲试验80-84
• 4.3.2 桁架扭转试验84-89
• 4.4 CFRP桁架数值模拟89-93
• 4.4.1 多尺度有限元计算原理90-92
• 4.4.2 桁架抗弯模拟92-93
• 4.4.3 桁架抗扭模拟93
• 4.5 CFRP桁架受弯性能参数分析93-98
• 4.5.1 荷载-跨中挠度全过程曲线94-95
• 4.5.2 极限承载力与破坏挠度95-96
• 4.5.3 刚度/质量比和荷载/质量比96-98
• 4.6 本章小结98-99
• 第5章 CFRP桁架拓扑优化与飞艇骨架轻量化设计99-120
• 5.1 引言99
• 5.2 CFRP单榀空间桁架拓扑优化99-106
• 5.2.1 “桁架节”编码的优化方法99-105
• 5.2.2 弯扭工况下桁架拓扑优化105-106
• 5.3 飞艇骨架轻量化设计106-115
• 5.3.1 单榀桁架的确定107
• 5.3.2 飞艇骨架受力分析107-109
• 5.3.3 典型桁架分类109-113
• 5.3.4 优化前后飞艇骨架对比113-115
• 5.4 典型桁架优化软件开发115-119
• 5.5 本章小结119-120
• 结论120-122
• 参考文献122-135
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果135-137
• 致谢137-139
• 个人简历139

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本文编号：829036