复合材料结构件多尺度虚拟测试及模型重用技术研究

发布时间：2017-07-29 05:22

  本文关键词：复合材料结构件多尺度虚拟测试及模型重用技术研究

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【摘要】：复合材料以其优异的性能被广泛应用于航空航天等领域。复合材料结构件有多种几何形态,并且目前其设计合理性主要依赖积木式试验来验证,这造成复合材料结构件设计修正周期长,复用性差等不足。虚拟测试技术利用计算机分析方法和物理试验验证,同时包含多尺度测试方法和分析理论,通过计算机这种低成本的测试方法代替部分物理试验,实现降低成本、缩短设计研发周期的目的,同时结合模型重用技术,改善复合材料结构件模型复用性差缺陷,实现参数化驱动模型设计-分析过程参数的相互映射,借助计算机完成结构件从概念设计到最终试验的快速过渡。为解决复合材料结构件设计验证对物理试验过于依赖的现状,本文在分析了国内外复合材料结构件多尺度虚拟测试及模型重用技术的基础上,针对结构件设计过程和设计指标提出了多尺度工程计算和有限元计算方法,建立了结构件模型重用和参数调整方法,开发了多尺度虚拟测试及模型重用原型系统。分析了复合材料结构件虚拟测试和模型重用关键技术,总结了结构件设计过程、验证指标、重用要素、调整参数。设计了由工程计算、有限元计算、模型重用和数据库支撑的系统总体框架,给出了系统重用对象模型。建立了一种适用于复合材料结构件初步设计的考虑纤维缺陷的多尺度工程计算方法。基于复合材料几何多尺度形态建立相应的计算方法,设计了工程计算总体框图;由根据纤维褶皱角正态分布规律,提出了褶皱纤维RVE模型并对单向板工程常数进行预测;根据预测工程常数,由不同失效准则给出了简单层板预测强度谱;建立了简单层板和加筋板屈曲分析解析模型,并给出屈曲载荷与其影响参数间关联关系,实现了参数化驱动对初步设计模型的快速分析和对设计方案的筛选。建立了一种针对结构件设计强度和屈曲载荷的多尺度有限元谱分析方法。综合考虑设计模型与分析模型交互方法、设计参数调整、损伤过程仿真方案等。研究了CAD/CAE模型参数映射原理,实现设计模型到分析模型的快速建立;利用刚度软化原理,建立有限元渐进损伤模型;建立褶皱纤维离散化模型,从细观角度预测宏观结构件受力薄弱点;建立含孔层合板和加筋板的屈曲载荷与影响参数间的谱分析,实现设计参数与分析参数相互映射。通过实例分析结果与试验结果对比分析,验证有限元分析方法的正确性和可行性。建立了一种考虑复合材料结构件复用性低和设计参数调整困难的模型表达、检索和参数调整方法。基于结构、行为、功能相似性建立模型存储方式和模型库访问路径;建立屈曲载荷和模型几何参数间谱分析,实现由设计指标参数到模型参数的快速计算;基于改进遗传算法,建立强度与铺层角度间关联关系,通过工程计算和有限元计算实现铺层参数的合理调整。设计了复合材料结构件多尺度虚拟测试及模型重用原型系统总体框架、各功能模块、各集成接口和操作流程,基于Visual C++完成了原型系统的开发,建立了相关支撑模型库和知识库,实现了虚拟测试、模型重用和物理试验的集成,最后通过操作实例证明了系统的可行性。
【关键词】：复合材料结构件 模型重用 虚拟测试 强度 屈曲 谱分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 课题背景及研究意义11-12
• 1.2 复合材料结构件多尺度虚拟测试研究现状12-14
• 1.2.1 复合材料结构件多尺度测试技术研究现状12-13
• 1.2.2 复合材料虚拟测试技术研究现状13-14
• 1.3 复合材料模型重用研究现状14-15
• 1.3.1 模型重用技术应用现状14
• 1.3.2 模型表达方法研究现状14-15
• 1.4 复合材料虚拟测试及模型重用研究现状简析15-16
• 1.5 本文主要研究内容16-18
• 第2章 复合材料多尺度虚拟测试及模型重用系统总体设计18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 复合材料虚拟测试基本原理18-21
• 2.2.1 复合材料虚拟测试基本原理18-20
• 2.2.2 虚拟测试关键技术20-21
• 2.3 复合材料模型重用方法及关键技术21-24
• 2.3.1 模型重用基本方法21-22
• 2.3.2 模型重用关键技术22-24
• 2.4 复合材料模型重用及虚拟测试系统总体方案24-26
• 2.4.1 系统总体设计方案24-25
• 2.4.2 系统测试及重用对象25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 基于褶皱纤维RVE模型的结构件强度和屈曲分析27-48
• 3.1 引言27
• 3.2 总体框架设计27-28
• 3.3 基于褶皱纤维RVE的单向板工程常数预测28-35
• 3.3.1 传统RVE对单层板工程常数预测28-31
• 3.3.2 基于纤维褶皱缺陷对RVE模型工程常数的修正31-35
• 3.4 层合板强度预测35-40
• 3.4.1 简单层板强度预测分析方案35-38
• 3.4.2 基于单胞模型的简单层板强度谱预测38-40
• 3.5 复合材料结构件屈曲分析40-47
• 3.5.1 薄板类结构件屈曲分析40-42
• 3.5.2 复合材料薄板加筋件屈曲分析42-45
• 3.5.3 结构件屈曲算例分析45-47
• 3.6 本章小结47-48
• 第4章 复合材料结构件多尺度有限元分析48-62
• 4.1 引言48
• 4.2 总体框架设计48-49
• 4.3 多尺度数值分析方案及损伤分析49-53
• 4.3.1 基于CAD/CAE统一数据的有限元快速建模49-50
• 4.3.2 基于刚度软化的渐进损伤模型建立50-53
• 4.4 典型结构件损伤演化过程的模拟分析53-61
• 4.4.1 纤维弯曲损伤分析53-56
• 4.4.2 含孔层合板屈曲和渐进损伤分析56-60
• 4.4.3 复合材料薄板加筋件屈曲分析60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 复合材料结构件模型重用及模型参数调整62-76
• 5.1 引言62
• 5.2 总体框架设计62-63
• 5.3 模型可重用性判定63-64
• 5.4 复合材料典型结构件重用模型库构建方案64-70
• 5.4.1 重用模型方案64-65
• 5.4.2 基于metamodle的结构件信息描述65-70
• 5.5 模型重用参数调整方案70-75
• 5.5.1 基于屈曲分析的简单层板的几何参数调整70-72
• 5.5.2 基于改进遗传算法的重用模型的铺层参数调整方案72-75
• 5.6 本章小结75-76
• 第6章 复合材料结构件多尺度虚拟测试及模型重用原型系统实现76-87
• 6.1 引言76
• 6.2 多尺度虚拟测试及模型重用系统功能模块划分及主界面设计76-80
• 6.2.1 功能模块划分76-78
• 6.2.2 主界面设计78-80
• 6.3 复合材料结构件多尺度虚拟测试及模型重用系统操作流程80-81
• 6.4 复合材料结构件多尺度虚拟测试及模型重用系统应用实例81-86
• 6.4.1 重用模型81-84
• 6.4.2 工程计算84
• 6.4.3 有限元计算84-85
• 6.4.4 物理试验85-86
• 6.5 本章小结86-87
• 结论87-89
• 参考文献89-95
• 致谢95

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本文编号：587655