資源描述:
《復(fù)合材料層合板柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法研究》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文(學(xué)位研究生)題目:復(fù)合材料層合板柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法研究作者:同新星學(xué)科專業(yè):機(jī)械設(shè)計(jì)及理論指導(dǎo)教師:葛文杰2017年12月ResearchonTopologyOptimizationmethodforCompliantMechanismswithCompositesLaminatedPlatesByTongXinxingUndertheSupervisionofProfessorGeWenjieADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfu
2、lfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophy(MechanicalDesignandTheory)Xi’anP.R.ChinaDecember2017摘要摘要柔性機(jī)構(gòu)是一種依靠自身材料的彈性變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)及力變換的機(jī)構(gòu),具有無(wú)鉸鏈和摩擦、無(wú)需裝配和潤(rùn)滑、易加工和輕量化等特點(diǎn),可廣泛的應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域,因而已成為現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)研究領(lǐng)域的重要分支,柔性機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法是研究的核心問(wèn)題。目前柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要是基于各向同性材料的拓?fù)鋬?yōu)化,由于所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)不能按其構(gòu)型、變形和受
3、力合理分布剛度和應(yīng)力,所以存在變形量與承載力的局限性。為此,本文利用復(fù)合材料各向異性的特性,基于復(fù)合材料層合板理論來(lái)研究柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)研究揭示纖維方向(路徑)對(duì)機(jī)構(gòu)形變剛度及應(yīng)力性能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響特性,建立常剛度和變剛度層合板柔性機(jī)構(gòu)纖維方向(路徑)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的材料設(shè)計(jì)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)共同最優(yōu)化,并對(duì)柔性變形翼前、后緣柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析。論文的主要研究工作如下:(1)常剛度復(fù)合材料層合板柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)與分析?;诮?jīng)典層合板理論和SIMP懲罰模型,給出了常剛度層合板等效本構(gòu)關(guān)系,建立了常剛度層合板柔性機(jī)構(gòu)拓
4、撲優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;結(jié)合柔性反相器與夾鉗算例,設(shè)計(jì)并對(duì)比分析了機(jī)構(gòu)的變形與應(yīng)力水平,揭示了纖維方向?qū)C(jī)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)型、變形與承載能力的影響特性。研究結(jié)果表明:與各向同性材料相比較,構(gòu)型上鉸鏈區(qū)域材料分布更加合理,可避免單點(diǎn)鏈接現(xiàn)象,變形能力提高了2.1倍;在同等條件下,調(diào)整纖維方向能夠獲得更優(yōu)的變形能力和承載性能。(2)變剛度復(fù)合材料層合板柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與分析。采用平移法對(duì)變剛度層合板曲線纖維路徑進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述,給出了變剛度層合板等效本構(gòu)關(guān)系;基于懲罰模型,提出了變剛度層合板柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法;結(jié)合柔性反相器與夾鉗算例,進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和與常剛度層合板設(shè)計(jì)的對(duì)
5、比分析。分析結(jié)果表明:相比常剛度層合板設(shè)計(jì),機(jī)構(gòu)變形能力分別提高了22.5%、7%,應(yīng)力水平分別降低了8%、12%;在同等條件下,調(diào)整曲線纖維路徑,能夠改變構(gòu)型鉸鏈處受力特性,可顯著提高變形能力并降低應(yīng)力水平。反映了變剛度復(fù)合材料層合板用于柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。(3)常剛度復(fù)合材料層合板纖維方向與拓?fù)錁?gòu)型聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。針對(duì)直接優(yōu)化纖維角度帶來(lái)的非凸問(wèn)題,以影響纖維方向的層合參數(shù)和決定材料分布的相對(duì)密度共同作為設(shè)計(jì)變量,以變形與承載為優(yōu)化目標(biāo),建立了常剛度層合板纖維方向與拓?fù)錁?gòu)型聯(lián)合的機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型;基于移動(dòng)漸近線算法,提出了分步聯(lián)合優(yōu)化求解方法;結(jié)合懸
6、臂結(jié)構(gòu)與柔性反相器的設(shè)計(jì)算例,進(jìn)行了構(gòu)型和纖維方向的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì),采用窮舉法對(duì)其結(jié)果的有效性進(jìn)行了分析驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:采用聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能獲得機(jī)構(gòu)I西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文/結(jié)構(gòu)的最優(yōu)纖維方向與拓?fù)錁?gòu)型,且優(yōu)化效率較高;在同等條件下,對(duì)稱層合板設(shè)計(jì)的懸臂結(jié)構(gòu)和反相器較平衡對(duì)稱層合板的設(shè)計(jì),承載和變形能力分別可提高6.5%和4.2%。本方法兼顧了材料與拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì),為常剛度層合板機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。(4)變剛度復(fù)合材料層合板纖維路徑與拓?fù)錁?gòu)型聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。以節(jié)點(diǎn)層合參數(shù)與相對(duì)密度共同作為設(shè)計(jì)變量,基于形函數(shù)插值方法,建立了變剛度層合板纖維路徑
7、與拓?fù)渎?lián)合的機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。采用非單調(diào)的GCMMA方法求解,獲得了機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)最佳的拓?fù)錁?gòu)型及節(jié)點(diǎn)層合參數(shù)分布;采用最小二乘方法,在曲率約束下,優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)纖維角度與層合參數(shù)的匹配;借助流函數(shù)概念和流線特性,將離散的節(jié)點(diǎn)纖維方向擬合成連續(xù)纖維路徑。結(jié)合懸臂結(jié)構(gòu)與柔性反相器的設(shè)計(jì)算例,進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì),并與常剛度層合板聯(lián)合優(yōu)化對(duì)比分析,承載和變形能力分別可提高5.8%和14%。研究結(jié)果表明:變剛度層合板聯(lián)合優(yōu)化方法能使機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)獲得最佳的拓?fù)錁?gòu)型及纖維路徑,并能為纖維自動(dòng)鋪放設(shè)備提供連續(xù)纖維路徑生成方法。(5)復(fù)合材料層合板柔性機(jī)翼前、后緣拓?fù)湓O(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分
8、析。在分析飛行性能的基礎(chǔ)上,以實(shí)際變形