基于自动铺丝的复合材料变刚度结构的分析与优化设计

随着自动铺丝装备及制造技术的发展，出现了一种先进的复合材料结构形式- - 变刚度结构，它不仅继承了传统复合材料结构的诸多优点，而且在降低制造成本和提高结构性能方面显示出了极大的优越性和发展潜力，因而得到了航空、航天工程界的青睐和重视。本项目将对复合材料变刚度结构的分析及优化设计进行研究。主要内容包括：综合考虑引起结构刚度变化的曲线纤维方向角、直线纤维体积分数及铺层厚度变化等因素，发展变刚度结构静力、动力及屈曲分析的解析法、半解析法及梯度有限元法；考虑制作工艺等约束条件，研究提高变刚度结构力学性能的材料裁剪问题；在此基础上建立具有可制造性的变刚度结构多目标优化设计模型，发展高效、稳定的全局最优化算法，并编制结构分析及优化设计的程序包。研究成果将为大型、复杂形面复合材料变刚度结构的设计提供理论依据和技术支持，同时也将丰富非均匀介质力学的内容。

随着复合材料成型设备及制造技术的发展，生产材料特性随空间位置而变化的复合材料结构已成为可能，这种由材料性能的空间变化而形成的变刚度结构是一种先进的复合材料结构形式，它不仅继承了传统复合材料比强度高、比刚度大以及可设计性好等特点，而且在降低制造成本和提高结构性能方面显示出了极大的优越性和发展潜力，因此得到了航空航天工程界的青睐。本项目按原定计划对复合材料变刚度结构的分析及优化设计进行了研究。主要研究成果包括：发展了材料性能沿厚度方向变化的梁、板、壳结构弹性分析的解析法及半解析法；建立了材料性能沿板面内变化的复合材料变刚度板的力学模型并给出了相应的解析解；提出了复合材料变刚度直梁及曲梁的弹塑性问题的解析求解方法；研究了复合材料变刚度结构的材料裁剪问题，并给出了可供选择的复合材料变刚度结构的优化设计方案。研究成果将为大型、复杂形面复合材料变刚度结构的设计提供理论依据和技术支持，同时也将丰富非均匀介质力学的内容。