热环境下复合材料板壳耦合结构波动特性分析及优化设计

As the main components of aerospace crafts, the composite plates-shells of coupling have the decisive influences on the safety of airframes and the reliability of precision instruments with its wave propagation characteristics. When the elastic waves are transferred in the composite plates-shells of coupling, all of the inter-layer defects of component materials, the impedance mismatches in at joints, and external temperature loading have the ability to alter the response performances and wave resistance of the structures, which makes the analysis of wave propagation characteristics and optimization design for such structures extraordinarily complex. Taking "characteristic analysis to optimization design to experimental verification" as the general outline, a unified analysis model for wave propagation characteristics of the composite plates-shells of coupling is established gradually from inside to outside by using the method of reverberation ray matrix. On this basis, a multi-objective optimization algorithm is presented to perform the optimization design. The main contents include: (1) The theoretical modeling and analysis of wave propagation characteristics for composite beams, plates and shells subjected to complex interface conditions under thermal environment; (2) The theoretical modeling and analysis of wave propagation characteristics for composite plates-shells of coupling with complex boundary and coupling conditions under thermal environment; (3) The multi-objective optimization design of composite plates-shells of coupling; (4) The experiments for the analysis model of wave propagation characteristics and the optimization design schemes. Through the implementation of this project, the understanding of the wave propagation characteristics for composite laminated plates-shells of coupling can be more completely，which have the important theoretical significance and practical value for develop new lightweight aerospace crafts.

作为航天飞行器的主要组成，复合材料板壳耦合结构的波动特性决定着机体安全性和仪器可靠性。波在结构中传递时，内部材料的层间缺陷，连接处的阻抗失配，外界温度载荷均能改变结构响应特征和阻波能力，导致波动特性的分析和优化变得异常复杂。本项目拟以“特性分析-优化设计-实验验证”为总纲，采用回传射线矩阵法由内到外、逐级递进地建立复合材料板壳耦合结构波动特性统一分析模型。在此基础上，运用多目标智能算法进行优化设计。主要研究内容有：(1) 热环境下具有复杂层间界面条件的复合材料梁板壳理论建模与波动特性分析；(2) 热环境下具有复杂边界及耦合条件的复合材料板壳耦合结构理论建模与波动特性分析；(3) 复合材料板壳耦合结构的多目标优化设计；(4) 波动特性分析模型验证与优化方案对比实验。通过本项目的实施，可全面掌握此类结构波动特性并提供有效的优化设计手段，对研制新型轻量化航天飞行器具有重要的理论意义和实用价值。

当航天飞行器以高超声速在大气层内飞行时临着剧烈气动热、宽频振动、强冲击等极端恶劣环境，由此引发的局部载荷将以弹性波形式在结构中传播。此时，结构波动特性是衡量飞行器性能优劣的重要指标之一。近年来，以复合材料为体系的板壳耦合结构在航天领域已经得到了广泛应用。因此，为适应未来飞行器的发展需求，开展复合材料板壳耦合结构的波动特性分析及优化设计具有重要意义。然而，通过对现有文献调研不难发现，目前对于复合材料板壳耦合结构在热环境条件下的波动特性研究成果较少，且较少涉及复杂层间界面条件及复杂边界与耦合条件对结构波动特性的影响，不符合实际情况，缺少结合实际成型工艺、设计要求和服役环境的复合材料板壳耦合结构优化研究，极大的制约了复合材料板壳耦合结构在热环境条件下波动特性理论研究深度和实际工程应用前景。基于此，本项目从基本结构单元入手，提出复合材料梁、板、壳简化分层理论，引入协调界面模型模拟复杂层间界面条件，同时将稀疏矩阵引入回传射线矩阵法提高其计算效率，从而建立复杂层间界面条件下复合材料梁、板、壳结构分析模型。在此基础上，进一步将快速回传射线矩阵法扩展到能够处理复杂边界与耦合条件，建立复杂边界与耦合条件的复合材料板壳耦合结构波动特性统一分析模型。在建模过程中，充分考虑热环境对基本结构单元和连接结构的影响。在上述研究基础上，通过灵敏度分析从结构内外参数中提取优化变量，并针对设计要求和服役环境提取优化目标和优化约束，建立多目标优化模型。同时，结合多目标烟花算法和基于回传射线矩阵法构建的评价体系，开发出的多目标优化方法，从而形成完整的复合材料板壳耦合结构优化设计通用流程。为了验证上述分析模型的有效性和优化设计方案的优越性，开展了相应的实验研究，实验结果证实了建模方法的正确性和优化设计模型的有效性。本课题的研究工作可给此类复合结构的波动特性评估分析提供理论依据和具体优化设计手段。