太阳能无人机复合材料机身结构设计与优化

发布时间：2017-09-13 12:03

  本文关键词：太阳能无人机复合材料机身结构设计与优化

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【摘要】：在太阳能无人机领域的复合材料应用越发的广泛,它所具备的更轻质的重量、更好的整体性能和更长的使用寿命,使其成为了太阳能无人机的最优选择,也是太阳能无人机研究中的关键方向。复合材料的应用在加大无人机设计空间的同时也大大增加的设计的难度。由于太阳能无人机对结构需求的苛刻性,采用传统的初始设计、性能校核、经验修改的设计方式已经难以满足设计要求,且设计周期漫长,工作量巨大。但是若运用结构优化技术,通过修改结构的尺寸、形状、拓扑等信息,就能够计算出满足一定性能和目标函数的最优结构形式。这种方法更加科学严谨,将结构设计从经验设计层面提高到理论设计的层面,从而实现结构创新设计。本文以某新型太阳能无人机复合材料机身为研究对象,主要研究内容如下：首先,对该型无人机的主要技术指标和结构设计要求进行了需求性分析；研究了机身气动载荷向结构载荷的转换方法,并得出了较好的转换结果;对蜂窝复合材料力学特性等效理论进行了研究,并计算出蜂窝复合材料的等效参数。在Abaqus有限元软件中建立了机身有限元模型并进行了静力分析,得到了机身结构整体的强度、刚度信息,为后续的优化设计提供参考。通过分析该无人机的实际应用情况,针对机身结构梁进行了选型优化与尺寸优化,提出了管梁、箱型梁和工字梁三种形式,并分别进行了有限元分析加以结果对比,选择了箱型梁进行尺寸优化,以重量不变为约束,得到当前载荷工况下最优的主副梁截面尺寸。最后,对结构优化与拓扑优化理论进行了研究,并利用变密度法对机身结构肋片的减轻孔进行了拓扑优化,并将优化结果得出的设计方案与根据经验设计的方案进行对比。该型无人机机身结构梁形式与尺寸对分析结果和机身肋片减轻孔的拓扑优化结果,较为令人满意,为该型无人机后续的改进优化设计提供了有意义的参考方案。
【关键词】：太阳能无人机 复合材料 有限元分析 拓扑优化
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V214.8
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-8
• 1 绪论8-23
• 1.1 引言8
• 1.2 太阳能无人机的研究背景8-10
• 1.3 太阳能无人机在国内外的发展现状10-21
• 1.3.1 国外发展现状10-19
• 1.3.2 国内研究现状19-21
• 1.4 研究的意义21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 2 机身结构有限元建模23-31
• 2.1 有限元方法23
• 2.2 机身结构分析23-25
• 2.3 有限元模型建立与处理25-28
• 2.4 载荷计算方式28-30
• 2.5 材料参数30
• 2.6 本章小结30-31
• 3 蜂窝材料等效特性31-36
• 3.1 引言31-32
• 3.2 蜂窝材料层合板等效理论32-35
• 3.2.1 等效板理论(Reissner和Hoff理论)32-33
• 3.2.2 蜂窝板理论33-34
• 3.2.3 改进的Allen理论34-35
• 3.2.4 三明治夹心板理论35
• 3.3 本章小结35-36
• 4 机身结构梁有限元分析36-47
• 4.1 机身结构梁选型分析36-44
• 4.2 机身结构箱型梁尺寸分析44-46
• 4.3 本章小结46-47
• 5 机身结构肋片拓扑优化设计47-57
• 5.1 结构优化算法47
• 5.2 拓扑优化原理与变密度法47-49
• 5.2.1 拓扑优化原理47-48
• 5.2.2 变密度法48-49
• 5.3 机身肋片减轻孔拓扑优化设计49-56
• 5.3.1 减轻孔拓扑优化流程49-50
• 5.3.2 减轻孔拓扑优化结果50-51
• 5.3.3 优化设计与经验设计对比51-56
• 5.4 本章小结56-57
• 6 总结与展望57-60
• 6.1 全文总结57
• 6.2 工作展望57-60
• 参考文献60-63
• 攻读硕士学位期间发表的论文63-64
• 致谢64-66

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