本文關(guān)鍵詞：半硬式平流層飛艇骨架精細(xì)化分析與輕量化設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： 平流層飛艇 CFRP桁架 穩(wěn)定承載力 參數(shù)敏感性 拓?fù)鋬?yōu)化

【摘要】：平流層飛艇是一種能夠在平流層長(zhǎng)時(shí)間駐留,并具有控制系統(tǒng)和推進(jìn)裝置的新型浮空器,因其具有卓越的軍事和民用價(jià)值而受到世界各國(guó)的普遍重視。由于平流層的空氣密度僅為地面的1/14,這意味著平流層飛艇要獲得足夠的升力就必須具有更大的體積和更輕的重量。因此,輕量化設(shè)計(jì)是平流層飛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。在這方面,國(guó)外雖然已開(kāi)展了一些研究工作,但相關(guān)資料很少。本文針對(duì)平流層飛艇的CFRP(Carbon-Fiber Reinforced Plastic)復(fù)合材料骨架系統(tǒng),綜合運(yùn)用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和優(yōu)化分析等技術(shù),對(duì)CFRP管的穩(wěn)定性、CFRP桁架節(jié)點(diǎn)的極限承載能力、CFRP桁架的抗彎、抗扭性能以及CFRP骨架的輕量化設(shè)計(jì)等問(wèn)題,開(kāi)展了系統(tǒng)研究,力求建立相應(yīng)的精細(xì)化數(shù)值模擬方法和輕量化設(shè)計(jì)方法,為實(shí)現(xiàn)我國(guó)平流層飛艇的技術(shù)突破提供技術(shù)支撐。主要進(jìn)行了如下幾方面的工作:首先,開(kāi)展了CFRP短管軸心受壓試驗(yàn),獲得了相應(yīng)的構(gòu)件極限承載力和破壞模式;通過(guò)引入纖維束橫觀各向同性材料模型和Hashin破壞準(zhǔn)則,建立了可考慮材料細(xì)觀損傷的CFRP管有限元分析方法;通過(guò)與短管軸心受壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,證明本文方法的精確性。其次,開(kāi)展了兩種管徑、五組長(zhǎng)細(xì)比的CFRP細(xì)長(zhǎng)管軸心受壓穩(wěn)定性試驗(yàn);通過(guò)引入弧長(zhǎng)法并結(jié)合Hashin破壞準(zhǔn)則,建立了CFRP細(xì)長(zhǎng)管的軸壓穩(wěn)定性數(shù)值模擬方法;通過(guò)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃奢d-跨中撓度曲線及其破壞模式的模擬,證明了數(shù)值模擬方法的有效性。最后,采用所提出的方法對(duì)具有不同長(zhǎng)細(xì)比和纖維體積含量的CFRP管進(jìn)行了軸壓穩(wěn)定性參數(shù)分析,擬合得到了CFRP管的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式,為后續(xù)研究及相關(guān)工程應(yīng)用提供了參考。以CFRP桁架節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象,首先采用基于細(xì)觀力學(xué)的數(shù)值方法研究了三維編織復(fù)合材料節(jié)點(diǎn)的建模技術(shù),包括材料常數(shù)的選取、單元類型的確定、網(wǎng)格大小的劃分等問(wèn)題,進(jìn)而探討了節(jié)點(diǎn)極限承載力確定方法,并通過(guò)與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了本文數(shù)值方法的正確性。然后,應(yīng)用基于拉丁超立方抽樣和Sobol’方差分解的多參數(shù)敏感性分析方法,對(duì)三維CFRP復(fù)合材料節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析,定量評(píng)估了節(jié)點(diǎn)各參數(shù)對(duì)其極限承載力的貢獻(xiàn)率。研究發(fā)現(xiàn):主管徑厚比和主管直徑對(duì)極限承載力的敏感性大,而厚度比對(duì)極限承載力的敏感性小。最后,綜合運(yùn)用ANSYS軟件的零階算法和一階算法對(duì)含有主要參數(shù)的三維CFRP復(fù)合材料節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化分析,以節(jié)點(diǎn)體積最小為優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)在相同受力情況下,應(yīng)力分布更加均勻,優(yōu)化效果良好。設(shè)計(jì)并制作了兩個(gè)跨度3米長(zhǎng)的CFRP正三角形截面桁架,分別對(duì)其進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲和懸臂扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的靜力加載試驗(yàn),其中三點(diǎn)彎曲為破壞性試驗(yàn),扭轉(zhuǎn)為剛度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,桁架在三點(diǎn)彎曲狀態(tài)下的荷載-位移曲線具有明顯的雙線性特征,其破壞模式主要表現(xiàn)為上弦桿受壓失穩(wěn)。引入多尺度有限元技術(shù)對(duì)CFRP復(fù)合材料桁架進(jìn)行建模分析,在抗彎工況下,模擬結(jié)果與試驗(yàn)誤差為5.3%,證明該模型可以精確地預(yù)測(cè)桁架的極限承載力和破壞撓度。基于此有限元模型,對(duì)桁架的外接圓直徑、桁架節(jié)數(shù)、弦桿與腹桿的壁厚等進(jìn)行參數(shù)分析;結(jié)果表明,桁架外接圓直徑和桁架弦桿壁厚對(duì)桁架的抗彎剛度影響較大,桁架分節(jié)數(shù)對(duì)桁架的抗彎極限承載力影響較大,腹桿壁厚對(duì)桁架抗彎剛度和極限承載力影響很小。建立了外輪廓為220m×60m×60m平流層飛艇整體骨架有限元模型,并對(duì)其進(jìn)行了兩端支撐狀態(tài)下的受力分析,通過(guò)提取各單榀桁架首尾和中部三個(gè)控制點(diǎn)的軸力和彎矩等力學(xué)指標(biāo),建立了桁架分類標(biāo)準(zhǔn),將整體飛艇骨架分為7類典型桁架。提出以“桁架節(jié)”為優(yōu)化變量并結(jié)合改進(jìn)遺傳算法的單榀桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法,代替了傳統(tǒng)以桿件為單元的編碼方法,從而使優(yōu)化計(jì)算具有更好的收斂性與穩(wěn)定性;分別對(duì)7類典型桁架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析,再將優(yōu)化后的典型桁架組裝成新飛艇骨架,結(jié)果表明優(yōu)化效果達(dá)到了5%。最后利用MATLAB軟件開(kāi)發(fā)了單榀桁架優(yōu)化程序及其用戶界面,方便了用戶使用。
【關(guān)鍵詞】：平流層飛艇 CFRP桁架 穩(wěn)定承載力 參數(shù)敏感性 拓?fù)鋬?yōu)化
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V274
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-35
• 1.1 課題背景15-25
• 1.1.1 平流層飛艇介紹15-18
• 1.1.2 軍事背景分析18-19
• 1.1.3 CFRP復(fù)合材料19-22
• 1.1.4 CFRP復(fù)合材料在航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用22-25
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析25-34
• 1.2.1 CFRP管構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀25-27
• 1.2.2 CFRP節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度研究現(xiàn)狀27-29
• 1.2.3 CFRP桁架承載性能研究狀況29-31
• 1.2.4 桁架拓?fù)鋬?yōu)化方法研究現(xiàn)狀31-34
• 1.3 本文主要工作34-35
• 第2章 軸心受壓CFRP管穩(wěn)定性能研究35-54
• 2.1 引言35
• 2.2 CFRP短管軸壓試驗(yàn)35-38
• 2.3 CFRP短管軸心受壓數(shù)值模擬38-45
• 2.3.1 材料參數(shù)剛度轉(zhuǎn)化39-41
• 2.3.2 破壞準(zhǔn)則的選取41-42
• 2.3.3 損傷失效過(guò)程模擬42-45
• 2.3.4 短管試驗(yàn)與模擬結(jié)果45
• 2.4 CFRP長(zhǎng)管軸壓試驗(yàn)及數(shù)值模擬45-50
• 2.4.1 長(zhǎng)管穩(wěn)定性試驗(yàn)45-48
• 2.4.2 長(zhǎng)管數(shù)值模擬方法48-49
• 2.4.3 長(zhǎng)管試驗(yàn)與模擬結(jié)果49-50
• 2.5 CFRP細(xì)長(zhǎng)管軸心受壓穩(wěn)定性分析50-52
• 2.5.1 管徑對(duì)穩(wěn)定承載力的影響50-51
• 2.5.2 纖維體積含量對(duì)穩(wěn)定承載力的影響51
• 2.5.3 CFRP細(xì)長(zhǎng)管穩(wěn)定公式51-52
• 2.6 本章小結(jié)52-54
• 第3章 CFRP桁架節(jié)點(diǎn)參數(shù)敏感性分析及優(yōu)化54-78
• 3.1 引言54
• 3.2 三維編織節(jié)點(diǎn)制備工藝54-58
• 3.3 基于細(xì)觀力學(xué)的數(shù)值分析方法58-67
• 3.3.1 材料模型58-61
• 3.3.2 單元類型與網(wǎng)格密度61-63
• 3.3.3 加載方式與邊界條件63-64
• 3.3.4 節(jié)點(diǎn)極限承載力的確定64-65
• 3.3.5 數(shù)值方法準(zhǔn)確性驗(yàn)證65-67
• 3.4 節(jié)點(diǎn)參數(shù)敏感性分析67-73
• 3.4.1 參數(shù)敏感性分析方法67-70
• 3.4.2 節(jié)點(diǎn)參數(shù)及取值范圍70
• 3.4.3 多參數(shù)歸一化處理70-73
• 3.5 節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化分析73-77
• 3.5.1 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方法73-75
• 3.5.2 典型節(jié)點(diǎn)優(yōu)化75-77
• 3.6 本章小結(jié)77-78
• 第4章 CFRP桁架靜力性能試驗(yàn)及數(shù)值模擬78-99
• 4.1 引言78
• 4.2 CFRP桁架設(shè)計(jì)與制備78-80
• 4.3 CFRP桁架靜力試驗(yàn)80-89
• 4.3.1 桁架三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)80-84
• 4.3.2 桁架扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)84-89
• 4.4 CFRP桁架數(shù)值模擬89-93
• 4.4.1 多尺度有限元計(jì)算原理90-92
• 4.4.2 桁架抗彎模擬92-93
• 4.4.3 桁架抗扭模擬93
• 4.5 CFRP桁架受彎性能參數(shù)分析93-98
• 4.5.1 荷載-跨中撓度全過(guò)程曲線94-95
• 4.5.2 極限承載力與破壞撓度95-96
• 4.5.3 剛度/質(zhì)量比和荷載/質(zhì)量比96-98
• 4.6 本章小結(jié)98-99
• 第5章 CFRP桁架拓?fù)鋬?yōu)化與飛艇骨架輕量化設(shè)計(jì)99-120
• 5.1 引言99
• 5.2 CFRP單榀空間桁架拓?fù)鋬?yōu)化99-106
• 5.2.1 “桁架節(jié)”編碼的優(yōu)化方法99-105
• 5.2.2 彎扭工況下桁架拓?fù)鋬?yōu)化105-106
• 5.3 飛艇骨架輕量化設(shè)計(jì)106-115
• 5.3.1 單榀桁架的確定107
• 5.3.2 飛艇骨架受力分析107-109
• 5.3.3 典型桁架分類109-113
• 5.3.4 優(yōu)化前后飛艇骨架對(duì)比113-115
• 5.4 典型桁架優(yōu)化軟件開(kāi)發(fā)115-119
• 5.5 本章小結(jié)119-120
• 結(jié)論120-122
• 參考文獻(xiàn)122-135
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其他成果135-137
• 致謝137-139
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷139

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 曹勇;;平流層飛艇艇務(wù)管理任務(wù)分析[J];航天返回與遙感;2006年02期

2 劉大海;閻健;張健勇;李麗;;平流層飛艇的能源技術(shù)和平衡分析[J];航天返回與遙感;2006年02期

3 王勇軍;屈衛(wèi)東;;平流層飛艇的建模與辨識(shí)[J];裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào);2007年01期

4 程夢(mèng)夢(mèng);王進(jìn);紀(jì)志遠(yuǎn);;平流層飛艇:空中預(yù)警探測(cè)利器[J];國(guó)防科技工業(yè);2007年07期

5 方賢德;王偉志;李小建;;平流層飛艇熱仿真初步探討[J];航天返回與遙感;2007年02期

6 戈嗣誠(chéng);陳國(guó)良;;平流層飛艇的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初探[J];航天返回與遙感;2007年03期

7 姚偉;李勇;王文雋;鄭威;;平流層飛艇優(yōu)化方法和設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析[J];宇航學(xué)報(bào);2007年06期

8 趙攀峰;王永林;劉傳超;;平流層飛艇放飛、回收過(guò)程初步分析[J];航空科學(xué)技術(shù);2007年04期

9 鄭威;王文雋;姚偉;吳志紅;李勇;;平流層飛艇高度方向穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)建模與特性分析[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2008年24期

10 劉剛;張玉軍;;平流層飛艇定點(diǎn)駐留控制分析與仿真[J];兵工自動(dòng)化;2008年12期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 申蒸洋;凌人龍;;平流層飛艇布局研究[A];2011年中國(guó)浮空器大會(huì)論文集[C];2011年

2 李小建;方賢德;戴秋敏;;平流層飛艇熱特性研究[A];2011年中國(guó)浮空器大會(huì)論文集[C];2011年

3 王偉志;李博;;平流層飛艇對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用簡(jiǎn)析[A];第二十三屆全國(guó)空間探測(cè)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文摘要集[C];2010年

4 張衍壘;李兆杰;張向強(qiáng);姜魯華;;平流層飛艇光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探[A];2011年中國(guó)浮空器大會(huì)論文集[C];2011年

5 侯遠(yuǎn)波;羅義平;漆光東;;平流層飛艇螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)[A];2011年中國(guó)浮空器大會(huì)論文集[C];2011年

6 劉德華;;平流層飛艇動(dòng)力系統(tǒng)配置研究[A];2011年中國(guó)浮空器大會(huì)論文集[C];2011年

7 馬明;陳鳳貴;蔣雪蓮;;平流層飛艇大氣海洋環(huán)境探測(cè)應(yīng)用分析[A];2011年中國(guó)浮空器大會(huì)論文集[C];2011年

8 宋琦;李勇;鄭威;王文雋;王超;;艇內(nèi)晝夜溫差對(duì)平流層飛艇駐空影響的研究[A];2011年中國(guó)浮空器大會(huì)論文集[C];2011年

9 吳雷;李勇;梁棟;;平流層飛艇放飛段動(dòng)力學(xué)建模[A];第25屆中國(guó)控制會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];2006年

10 李智斌;孫帥;郭鐵能;吳雷;田科豐;;一種自適應(yīng)變體飛艇放飛與回收過(guò)程力學(xué)機(jī)理分析[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 李大光;“空中航母”卷土重來(lái)[N];中國(guó)國(guó)防報(bào);2009年

2 本報(bào)記者 榮為人 通訊員 鄭國(guó)田;注重特色 實(shí)現(xiàn)航空新跨越[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2006年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 南波;半硬式平流層飛艇骨架精細(xì)化分析與輕量化設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 劉建閩;平流層飛艇繞流場(chǎng)與膜結(jié)構(gòu)大變形的耦合計(jì)算[D];上海交通大學(xué);2007年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 夏中賢;平流層飛艇總體性能與技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2006年

2 周革;平流層飛艇變質(zhì)心控制研究[D];上海交通大學(xué);2012年

3 馬文良;基于動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)模型耦合的平流層飛艇上升段航跡研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

4 王明建;平流層飛艇平臺(tái)的建模與控制方法研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

5 聶營(yíng);平流層飛艇高效螺旋槳設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）;2008年

6 李家寧;平流層飛艇定點(diǎn)控制技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

7 何榮斌;平流層飛艇平臺(tái)姿態(tài)控制研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

8 韓雪;平流層飛艇定點(diǎn)懸�？刂坡稍O(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

9 秦鳳平;平流層飛艇軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D];上海交通大學(xué);2011年

10 方麗娟;平流層飛艇多能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];上海交通大學(xué);2008年

，

本文編號(hào)：829036