薄壁加筋结构的拓扑优化方法研究

发布时间：2017-09-11 12:17

  本文关键词：薄壁加筋结构的拓扑优化方法研究

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【摘要】：加筋板结构作为机翼结构的重要组成部分,其失效形式复杂多样,而其中常见的稳定性失效又可以分为加筋板总体屈曲、蒙皮局部屈曲、筋条局部屈曲以及各种屈曲的耦合。为了在满足加筋板结构稳定性要求的前提下,减轻结构重量,就必须对结构中的筋条形式、筋条布局以及筋条和蒙皮的相关参数作出合理的选择和优化。目前,较为常规的薄壁加筋方法是在强度设计后得出等效蒙皮的情况下,通过选取合理的加筋比和厚度比对薄壁进行加筋。该方法中对加筋比和厚度比的选取具有一定的随意性,对稳定性计算公式中的筋条支持系数也不能做出准确的评估。本文提出一种简单高效的薄壁加筋设计流程,可以在多组加筋比和厚度比不同的设计结果中,寻找出最优的加筋比和厚度比,并且在设计过程中及时修正筋条支持系数。对于常规薄壁加筋方法中,筋条布局形式单一,不同筋条尺寸参数不能相互独立的问题,本文提出一种拓扑优化指导薄壁加筋的方法,该方法对将原薄壁加厚的基板进行稳定性约束下的拓扑优化,以拓扑优化结果中的材料分布来指导薄壁加筋,达到筋条布局优化的目的,后期再对筋条布局完成后的加筋板结构进行二级尺寸优化,提高结构效率。通过有限元验证表明,跟常规薄壁加筋方法相比,拓扑优化指导加筋能有效降低结构重量,提高结构效率。
【关键词】：加筋板 拓扑优化 稳定性设计 加筋方法 SIMP法
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V224
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 注释表10-11
• 缩略词11-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 引言12
• 1.2 薄壁加筋结构的研究现状12-14
• 1.3 拓扑优化在结构设计中的应用14-16
• 1.4 本文主要内容16-18
• 第二章 拓扑优化理论及其应用18-31
• 2.1 拓扑优化的数学模型及其常规算法18-22
• 2.1.1 拓扑优化方法介绍18-20
• 2.1.2 拓扑优化常用算法20-21
• 2.1.3 拓扑优化中的数值不稳定现象21-22
• 2.2 拓扑优化中的变密度法22-26
• 2.2.1 变密度法的材料插值模型22-23
• 2.2.2 拓扑优化的数学模型及优化算法23-26
• 2.2.3 灵敏度过滤法26
• 2.3 算例分析26-29
• 2.3.1 惩罚因子对优化结果的影响27-28
• 2.3.2 敏度过滤半径对优化结果的影响28-29
• 2.4 本章小结29-31
• 第三章 基于准则的薄壁加筋设计方法31-44
• 3.1 加筋壁板结构的受力特点31-33
• 3.1.1 不同载荷水平对加筋结构型式的影响31-32
• 3.1.2 结构特点及受力分析32
• 3.1.3 设计矛盾32-33
• 3.2 薄壁加筋结构的失稳模式33-35
• 3.2.1 局部失稳33-34
• 3.2.2 总体失稳34-35
• 3.2.3 筋条支持系数35
• 3.3 薄壁加筋结构的稳定性设计35-39
• 3.3.1 蒙皮和筋条的优化36-37
• 3.3.2 肋间距的优化37-38
• 3.3.3 三种筋条截面形式的加筋板结构优化设计38-39
• 3.4 加筋板的有限元验证39-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 基于拓扑优化方法的薄壁加筋布局设计44-56
• 4.1 BEAM单元模拟薄壁加筋结构中的筋条44-47
• 4.1.1 Beam单元和壳单元模拟筋条44-46
• 4.1.2 利用拓扑优化生成薄壁筋条痕迹46-47
• 4.2 基于稳定性约束的薄壁拓扑优化47-51
• 4.2.1 基板的拓扑优化47-50
• 4.2.2 拓扑优化结果后处理50-51
• 4.3 基于薄壁加筋结果的二级尺寸优化51-54
• 4.3.1 拓扑加筋结果的尺寸优化52-53
• 4.3.2 拓扑加筋方法跟常规加筋方法的结果对比53-54
• 4.4 不同长宽比薄壁的拓扑优化筋条布局54-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第五章 总结与展望56-58
• 5.1 全文总结56-57
• 5.2 后续工作展望57-58
• 参考文献58-61
• 致谢61-62
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文62

【参考文献】

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本文编号：830669