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基頻約束下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

介紹了一種利用優(yōu)化技術(shù)對(duì)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的方法。建立輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化模型的目的是最大限度地減輕基頻約束下復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。設(shè)計(jì)變量是纖維的體積分?jǐn)?shù)和纖維層的取向。首先計(jì)算出質(zhì)量和頻率相對(duì)于設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)。利用罰函數(shù)內(nèi)點(diǎn)法，將輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為一系列的線性約束優(yōu)化問題。利用質(zhì)量和頻率的靈敏度來計(jì)算懲罰函數(shù)的靈敏度。提出了一種基于梯度投影算法的優(yōu)化方法。利用所提出的優(yōu)化方法對(duì)復(fù)合材料層合板進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。

提出了一種基于頻率靈敏度分析法的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在振動(dòng)環(huán)境下的輕量化設(shè)計(jì)方法。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，所提出的優(yōu)化模型和計(jì)算程序能夠有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)?；l值的初始設(shè)計(jì)非常接近允許極限值，復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)還可通過調(diào)整纖維的層體積分?jǐn)?shù)，使其滿足約束條件。纖維體積分?jǐn)?shù)的最佳分布說明，在振動(dòng)環(huán)境中，疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)是合理的結(jié)構(gòu)形式。所提出的輕量化設(shè)計(jì)方法適用于邊界條件復(fù)雜的大型工程復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，也適用于靜態(tài)強(qiáng)度約束。

由于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，以及良好的疲勞性能及耐腐蝕性，因此其在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用越來越多，其可作為汽車的輕質(zhì)材料，以節(jié)省能源并減少碳排放。

刊名：Composite Structures（英）刊期：2015年第2期

作者：Juha Paavola

編譯：王亮