轻型、小型吊舱结构技术研究

发布时间：2017-03-27 19:09

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【摘要】：随着吊舱应用的不断深入,吊舱平台的性能也在不断的提高。从结构上来讲,轻型化小型化是吊舱发展的一个重要趋势,因此对吊舱结构这方面的研究是十分必要的。众所周知,吊舱工作在振动、迎风的复杂环境中,对结构刚度、动态性能的要求是苛刻的。因此如何在保证吊舱动、静力学特性的情况下,实现结构的轻小型成为难题。本文针对此难题,提供了对吊舱结构进行小型、轻型化设计的方法。首先介绍了吊舱轻小型研究的相关背景,阐述了本文的目的及意义、国内外吊舱的研究现状以及目前的轻量化技术发展状况。然后,分析了目前吊舱平台的主要框架形式,并选择二轴二框架结构作为小型化设计的结构形式;分析了吊舱的一般气动外形,并选择柱状外形;分析了吊舱结构的布局和主要构成,建立了吊舱的三维模型;分析了吊舱的工况,计算了吊舱在特定条件下的受力情况;建立了吊舱的有限元模型,得到了静力学、模态分析结果,提出了吊舱主框架、蒙皮结构作为轻量化设计的基础并对二者进行了静力和模态分析。研究了能够实现轻量化设计的拓扑结构优化方法;通过介绍刚度优化函数、频率优化函数,建立了多目标拓扑优化函数,并对三个函数各自的主框架拓扑优化结果进行了分析对比,表明了多目标拓扑优化的有效性;基于主框架的拓扑优化结果,建立了新的三维主框架模型,质量从6Kg下降到4.94Kg,验证了基于拓扑优化的轻量化设计的可行性和多目标函数的正确性;基于多工况刚度拓扑优化函数,对蒙皮进行了拓扑优化,在保证其静态和动态特性的同时,使其质量从1.8Kg下降到0.88Kg,轻量化率达到51.38%;最后借助3D打印技术,以尼龙作为材料,成功打印了蒙皮结构,使质量从1.81Kg下降到0.38Kg,轻量化率达到79%,并成功运用到某吊舱平台。接着介绍了复合材料的主要构成,并选择了T700碳纤维单向布作为设计材料;研究复合材料的力学理论,并通过理论分析,得到铺层设计的建模方式;基于拓扑结构优化的分析结果,对主框架模型抽壳,建立了基于铺层设计的碳纤维有限元模型;并对主框架模型进行静力模态分析,结果表明此结构初步符合设计要求。研究了复合材料优化设计的一般方法;通过尺寸优化、自由尺寸优化、铺层次序优化,实现了主框架结构的轻量化设计;最终主框架在满足刚度和谐振特性的情况下,质量从最初的6Kg下降到3.735Kg,轻量化率达37.35%,达到了轻量化设计的目的。
【关键词】：轻型小型 主框架 多目标拓扑优化 碳纤维 复合材料优化
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V223
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-18
• 1.1 课题研究的相关背景11
• 1.2 国内外吊舱研究现状11-15
• 1.3 轻量化技术研究现状15-16
• 1.4 论文主要研究内容及安排16-18
• 2 吊舱总体结构设计18-37
• 2.1 吊舱结构的技术指标18
• 2.2 吊舱框架形式及气动外形18-22
• 2.2.1 框架形式的选取18-20
• 2.2.2 气动外形的选取20-22
• 2.4 吊舱总体布局设计22-23
• 2.5 吊舱总体结构装配模型的建立23-25
• 2.6 吊舱工况分析25-27
• 2.7 吊舱结构有限元分析27-33
• 2.7.1 吊舱静力学分析27-30
• 2.7.2 吊舱模态及功率谱分析30-33
• 2.8 吊舱主框架及蒙皮的有限元分析33-36
• 2.8.1 吊舱主框架的分析33-35
• 2.8.2 吊舱蒙皮的分析35-36
• 2.9 本章小结36-37
• 3 基于拓扑结构优化的轻量化研究37-50
• 3.1 拓扑结构优化技术37-39
• 3.2 Hypermesh/Optistruct简介与应用39-40
• 3.3 主框架结构的拓扑优化40-47
• 3.3.1 振动频率拓扑优化41-42
• 3.3.2 多工况下刚度拓扑优化函数42-44
• 3.3.3 主框架多目标拓扑优化44-47
• 3.4 蒙皮的拓扑结构优化47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 4 基于轻质材料的轻量化研究50-68
• 4.1 碳纤维复合材料的选取50-53
• 4.1.1 增强相的选取50-51
• 4.1.2 基体材料的选取51-52
• 4.1.3 复合材料的选定及力学参数的验证52-53
• 4.2 碳纤维复合材料力学基础与有限元法53-61
• 4.2.1 各向异性弹性力学基本方程53-55
• 4.2.2 复合材料宏观力学55-59
• 4.2.3 复合材料铺层的基本强度与失效准则59-61
• 4.3 基于碳纤维复合材料的主框架有限元模型建立61-62
• 4.4 碳纤维主框架的静力学分析和模态分析62-65
• 4.4.1 碳纤维主框架静力学结果分析64-65
• 4.4.2 碳纤维主框架模态结果分析65
• 4.4.3 主框架质量对比情况65
• 4.5 本章小结65-68
• 5 碳纤维主框架的优化设计68-83
• 5.1 碳纤维复合材料的优化68-69
• 5.2 碳纤维吊舱主框架自由尺寸优化69-72
• 5.3 碳纤维吊舱主框架尺寸优化72-76
• 5.4 碳纤维主框架铺层次序优化76-80
• 5.5 主框架优化结果分析80-82
• 5.6 本章小结82-83
• 6 总结与展望83-85
• 6.1 总结83-84
• 6.2 展望84-85
• 参考文献85-89
• 附录A89-90
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 臧晓蕾;谷正气;米承继;伍文广;蒋金星;王玉涛;;矿用车车架结构的静动态多目标拓扑优化[J];汽车工程;2015年05期

2 林心龙;周维虎;劳达宝;;激光跟踪仪精密跟踪转台轴系优化设计[J];仪表技术与传感器;2015年04期

3 陈晨;王U，

本文编号：270905