基于非对称复合材料的弯曲-扭转耦合结构设计方法研究

Bending-twisting coupled structures have wide uses in many kinds of structures, for example, wind turbine blade and wing of aeroplane. Focusing on the deficiencies of bending-twisting coupled structure with symmetric laminates, such as heavy weight and complex couplings, this project studies the design method for bending-twisting coupled structure using asymmetric laminates. The design method for bending-twisting coupled structure using two kinds of asymmetric laminates with single coupling is proposed. The necessary and sufficient conditions for extension-twisting coupled hygro-thermally curvature-stable (HTCS) / extension-shearing coupled hygro-thermally shear-stable (HTSS) composites are established. An effective optimization approach for highly-constrained multi-objective bending-twisting coupled structure optimization problem is proposed. The robustness of the asymmetric laminates is analyzed. The couplings of the asymmetric laminates and bending-twisting coupled structure are verified through experiment method. This project will form the theoretical and methodological systems about the design of bending-twisting coupled structure using asymmetric laminates. The research achievements have broad application prospect in the structural design of wind turbine blade and wing of aeroplane.

具有弯曲-扭转耦合效应的结构在风机叶片、机翼等结构上都有着十分广泛的应用。本项目针对传统对称复合材料弯曲-扭转耦合结构存在重量过大、耦合效应复杂的缺点，开展非对称复合材料弯曲-扭转耦合结构的设计方法研究。提出基于两种具有单一耦合效应的非对称复合材料的弯曲-扭转耦合结构设计方法；建立拉伸-扭转耦合无湿热翘曲/拉伸-剪切耦合无湿热剪切非对称复合材料的解析充要条件；提出一种解决弯-扭耦合结构强约束多目标优化问题的有效策略；分析非对称复合材料的稳定性，并对耦合效应进行试验验证。项目研究将形成非对称复合材料弯曲-扭转耦合结构设计的理论与方法体系，研究成果在风机叶片、机翼等弯曲-扭转耦合结构的设计方面具有广泛的应用前景。

具有弯曲-扭转耦合效应的自适应结构在风力发电机叶片、固定翼飞机机翼等结构上都有着十分广泛的应用。针对传统对称复合材料弯曲-扭转耦合结构存在重量过大、耦合效应复杂的缺点，项目开展了基于非对称复合材料的弯曲-扭转耦合结构设计方法研究，主要包括四个方面的内容。第一、研究了非对称复合材料层合板的力学特性及其鲁棒性，并提出了基于Monte Carlo法分析非对称复合材料力学特性的鲁棒性的基本方法。第二，分别推导了单种纤维无湿热剪切变形拉伸-剪切耦合和无湿热翘曲变形拉伸-扭转耦合非对称复合材料层合板的与材料属性无关的解析充要条件，实现了解决弯-扭耦合结构强约束多目标优化问题的有效策略，提出并实现了基于单种纤维无湿热剪切变形拉伸-剪切耦合或无湿热翘曲变形拉伸-扭转耦合非对称复合材料的弯曲-扭转耦合结构设计方案。第三，建立了层间混杂层合板的简化计算模型并推导了层间混杂层合板刚度系数、热内力和热力矩的几何因子表达式，提出并实现了基于层间混杂无湿热剪切变形拉伸-剪切耦合或无湿热翘曲变形拉伸-扭转耦合非对称复合材料的弯曲-扭转耦合结构设计方案。最后，实现了多种非对称复合材料结构耦合效应的光学测量，验证了基于非对称复合材料的弯曲-扭转耦合结构设计方案的正确性。项目研究成果可为我国的自适应机翼、自适应风力发电机叶片等弯曲-扭转结构的设计提供技术支持，具有重要的工程实践价值；同时形成了基于非对称复合材料的弯曲-扭转耦合结构设计的理论与方法体系，具有重要的理论意义。本项目研究过程中共培养了1名博士后、2名博士生和1名硕士，并发表了13篇国内外学术论文，其中SCI检索8篇、EI检索3篇。