基于可移動(dòng)變形組件法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、隨著資源競(jìng)爭(zhēng)的加劇，工程設(shè)計(jì)界對(duì)結(jié)構(gòu)的綜合性能要求和輕量化設(shè)計(jì)提出了更加迫切的需求。因此，由性質(zhì)不同的材料組成的多功能結(jié)構(gòu)和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)引起了人們的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，但是大都基于隱式的拓?fù)鋬?yōu)化方法，還存在一些問(wèn)題，例如設(shè)計(jì)變量太多、灰度單元等。本文基于一種新興的顯示拓?fù)鋬?yōu)化方法—可移動(dòng)變形組件法(MMC: Moving Morphable Components)展開(kāi)研究，提出了多材

2、料結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化新方法，還對(duì)組件的相交面積進(jìn)行了約束控制，建立了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化模型。具體內(nèi)容及研究成果如下：
　　(1)基于 MMC框架的多材料結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究。由于傳統(tǒng)的多材料拓?fù)鋬?yōu)化方法都是基于隱式的框架，其中對(duì)于每種類(lèi)型的材料，必須引入定義在整個(gè)設(shè)計(jì)域上的相應(yīng)的密度場(chǎng)或水平集函數(shù)來(lái)描述其結(jié)構(gòu)分布，所以這將不可避免地引入大量的設(shè)計(jì)變量，對(duì)于三維問(wèn)題，維數(shù)災(zāi)難尤其嚴(yán)重。本文基于 MMC框架提出的多材料拓?fù)鋬?yōu)化方法，

3、用不同性質(zhì)的組件代表不同材料的布局，可以以更少的設(shè)計(jì)變量和自由度數(shù)來(lái)處理多材料結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，而且不需要引入復(fù)雜的材料插值格式。本文隨后列出的幾個(gè)數(shù)值算例展示了此方法的有效性和優(yōu)勢(shì)。
　　(2)組件相交面積控制方法研究。對(duì)于一些涂層結(jié)構(gòu)或內(nèi)部包含微結(jié)構(gòu)的組件，要求各組件之間保持相互獨(dú)立。本文設(shè)計(jì)了一種夾心組件模型，其夾心和外邊框采用不同的材料。在計(jì)算時(shí)，通過(guò)約束各個(gè)組件的夾心和其它組件的任意部分的相交面積為零來(lái)保證其夾心結(jié)構(gòu)的材

4、料性質(zhì)不變。此約束形式可以按照問(wèn)題要求而做相應(yīng)改變。在隨后的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化當(dāng)中，此夾心組件模型也得到了成功應(yīng)用。
　　(3)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的纏繞參數(shù)優(yōu)化研究。本文首次將MMC方法和纖維纏繞成型技術(shù)相結(jié)合，對(duì)二維連續(xù)體結(jié)構(gòu)柔度最小化問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化過(guò)程中，將纖維纏繞角和描述組件的參數(shù)同時(shí)作為設(shè)計(jì)變量，并采用經(jīng)典層合板理論對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)。此外，還通過(guò)控制組件的相交面積來(lái)避免一個(gè)組件被多個(gè)組件切割的