复合材料蜂窝夹层结构的优化设计.pdf

2004年9月北京航空航天大学学报September2004

第30卷第9期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.30No19

复合材料蜂窝夹层结构的优化设计
修英姝崔德刚
(北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100083)

摘要:利用复合材料蒙皮结构的弯扭耦合效应可以改善翼面的气动弹性
特性.为使这种结构的弯曲扭转耦合效应最大,采用遗传算法来优化设计这类结构,
并以蜂窝结构为例进行分析.采用有限元计算软件分析目标函数,将铺层板、蜂窝夹
芯的强度作为约束函数,并通过遗传算法优化与有限元计算有机的结合,开发了以有
限元为基础的复杂问题的结构优化软件系统.
关键词:蜂窝结构;耦合;遗传算法;复合材料
中图分类号:V21416
文献标识码:A文章编号:100125965(2004)0920855204

Optimaldesignofcompositesandwichstructure
XiuYingshuCuiDegang

(SchoolofAeronauticScienceandTechnology,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China)
Abstract:Theaeroelasticpropertyofawingcanbeimprovedbyusingthebending2twistingcouplingeffectof
compositematerialskin.Ageneticalgorithmapproachwasemployedtooptimizethistypestructureinordertomaxi2
mizetheeffectofbendingtwistingcouplingandasandwichstructuretobeananalysisexample.Afiniteelement
softwarewasusedtoanalysistheobjectivefunction,thestrengthofthesandwichstructurewereusedastherestric2
tionfunction.Thegeneticalgorithmsoptimumandfiniteelementanalysisfunctionwereintegratedsothatastructure
optimalsoftwarewasdevelopedforcomplexstructureoptimization.
Keywords:honeycombstructure;coupling;geneticalgorithms;compositematerials

为研究利用复合材料非对称非均衡特性进行反效等问题.其主要原因之一就是由于结构扭转
翼面的气动特性剪裁问题,以蜂窝结构为例进行和弯曲变形与气动力产生耦合效应造成的.通过
了该结构的优化问题的分析研究.利用复合材料铺层的弯曲扭转耦合效应,可以剪
复合材料蜂窝夹层结构由上下反对称的复合裁蒙皮的铺层,以改善翼面的气弹特性.
材料面板、厚而轻的芯子组成,它具有最优强度/本研究的目的是在给定的载荷条件下,满足
重量比、刚度/重量比和可设计性.因此复合材料强度和刚度要求前提下,优化复合材料的铺层体
蜂窝结构广泛应用在航空航天领域.而优化设计系,在重量最轻情况下,使蜂窝板产生的扭转耦合
这类结构则需要先进的设计概念和严密的优化方效应最大.
法.目前应用遗传算法来优化设计复合材料蜂窝1.1分析模型
结构得到广泛的应用.模型使用悬臂蜂窝板来模拟理想的机翼结
构,如图1所示,蜂窝板包括碳/环氧铺层和蜂窝
1问题描述芯,在板的自由端加载,以模拟引起机翼弯曲扭转
的气动载荷.
在高速飞行时,机翼产生很小的变形就可能
本文的目的是确定铺层顺序,蜂窝芯的厚度,
引起空气动力特性恶化,甚至引起颤振和操纵面
铺层板单层厚度,上下层板的层数,上下层板的铺

收稿日期:2003206219
作者简介:修英姝(1976-),女,吉林长春人,博士生,[e-mail].
658北京航空航天大学学报2004年

τWT≤[τWT]×017

[τLT],[τWT]分别是芯子的纵向和横向剪切强度,
与芯子厚度有关,应进行厚度修正,计算中用修正
因子,一般取修正因子为0.7.
1.3工作应力分析
采用Msc/Nastran对蜂窝夹层板进行有限元
分析,在模型简化时假定芯层能抵抗剪切变形并
且具有一定的面内刚度.用板元模拟蜂窝夹层板
图1悬臂蜂窝夹层板和加载情况
面板,芯子用六面体单元来模拟,且从上到下