基頻約束下復合材料結構輕量化設計

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基頻約束下復合材料結構輕量化設計

介紹了一種利用優(yōu)化技術對復合材料層合結構進行輕量化設計的方法。建立輕量化設計優(yōu)化模型的目的是最大限度地減輕基頻約束下復合材料層合結構的質(zhì)量。設計變量是纖維的體積分數(shù)和纖維層的取向。首先計算出質(zhì)量和頻率相對于設計變量的導數(shù)。利用罰函數(shù)內(nèi)點法，將輕量化設計優(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)化方法對復合材料層合板進行了輕量化設計。

提出了一種基于頻率靈敏度分析法的復合材料層合結構在振動環(huán)境下的輕量化設計方法。數(shù)值計算結果表明，所提出的優(yōu)化模型和計算程序能夠有效地實現(xiàn)復合材料層合結構的輕量化設計?；l值的初始設計非常接近允許極限值，復合材料層合結構還可通過調(diào)整纖維的層體積分數(shù)，使其滿足約束條件。纖維體積分數(shù)的最佳分布說明，在振動環(huán)境中，疊層復合結構是合理的結構形式。所提出的輕量化設計方法適用于邊界條件復雜的大型工程復合材料結構，也適用于靜態(tài)強度約束。

由于復合材料層合結構具有較高的比強度、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