摘 要

复合材料由于其高比强度、高比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、吸波、抗高速冲撞等一系列优点，广泛应用于军用产品和民用产品中。工程上常用的复合材料层合板通常由角度值为0°，45°，90°的直线纤维单层板层合得到。这种铺放方法简单，在一些场合能降低制造费用和缩减制造工时，但是却极大地限制了设计的灵活性，也未能充分发挥复合材料各向异性的优点。随着复合材料产业的发展，直线纤维铺层已经不能在一些场合完成所需的工艺和性能要求，于是自动铺放技术因运而生。自动铺放技术可以将纤维变角度铺放，在层合板面内可以使纤维的角度随位置的变化而改变。这种铺放技术制造得到的层合板称为变刚度复合材料层合板。

变刚度复合材料层合板相比于直线纤维层合板，在开孔处可以减少应力集中。在一些设计上可以实现减重，并且可以按照工作情况设计外观形状。设计人员有极大的设计自由度，针对特定的工况和材料可以采用不同的设计方案，极大地丰富了材料选择和促进了技术的发展。

本文主要研究变刚度复合材料层合板的优化后的纤维轨迹，结合MATLAB遗传算法工具箱和ANSYS APDL参数化设计工具对受压缩载荷下复合材料板类构件的铺丝角度进行优化设计，并在相同的网格划分情况下，与传统的直线铺放层合板结果进行了对比，并通过平移法得到最终优化纤维的轨迹。

关键词：复合材料层合板；变刚度；屈曲；轨迹规划

Abstract

Composite materials due to its high specific strength, high specific modulus, ablation resistance, erosion resistance, wave absorption, high-speed collision resistance and a series of advantages, so it is widely used in military and civil products. Commonly composite material laminates used in engineering are usually made of the angle value of 0 °, 45 °, 90 ° linear fiber monolayer plate laminated. This laying method is simple and in some cases it can reduce manufacturing cost and manufacturing working hours, but it greatly limits the flexibility of design, also failed to give full play to the characteristics of the composite material anisotropy. With the development of composite material industry, linear fiber layer has not fully competent in some situations, so automatic laying technology for shipment. Automatic laying technology can be laying fiber is Angle, can make the fiber in the laminated board face Angle change along with the change of location. The laying technology, manufacturing of laminated plate is called a variable stiffness composite laminated plates.

Compared with the straight line fiber composite laminates, variable stiffness fiber composite laminates can reduce the stress concentration on in open hole. On some designing, it can achieve weight loss and design appearance shape can according to the working condition. Designers have great design degrees of freedom, in view of the specific conditions and materials can be used in a different design, greatly enriched the material selection and promote the development of the technology.

This paper mainly study fiber trajectory of the variable stiffness composite laminates after the optimizing, and combined with genetic algorithm toolbox of MATLAB and ANSYS APDL parametric design tool for the composite material plate under compression load component, the spread of silk angle optimization design, and mesh in the same circumstances, with the traditional linear laying compares the result with laminated plates, and eventually optimize the trajectory of fiber is obtained by method of translation.

Key Words:composite laminates; variable stiffness; buckling; track designing

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题的目的及意义 1

1.2 纤维铺放技术的概念 3

1.3 变刚度复合材料层合板的概念 4

1.4 国内外研究现状 4

1.4.1纤维铺放技术的研究现状 4

1.4.2 变刚度复合材料层合板的研究现状 5

1.5 论文研究的主要内容 5

第2章 变刚度复合材料层合板结构 6

2.1 曲线铺放参考路径的定义 6

2.2 变刚度复合材料层合板的表示方式 8

2.3 构建方法 8

2.3.1 平移法 8

2.3.2 平行法 9

2.3.3 两种构建方法的比较 9

2.4 变刚度复合材料层合板的宏观力学分析 10

2.5 本章小结 12

第3章 复合材料层合板的有限元分析 13

3.1 有限元方法 13

3.1.1 ANSYS APDL参数化设计工具 13

3.1.2 ANSYS屈曲分析 14

3.2 变刚度复合材料层合板的有限元分析模型 14

3.3 网格划分 15

3.3.1 单元类型 15

3.3.2 网格划分 15

3.4 复合材料失效准则 16

3.5 本章小结 17

第4章 纤维轨迹优化设计 18

4.1 变刚度复合材料层合板分析模型的构建 18

4.2 MATLAB遗传算法工具箱 18

4.3 纤维铺放轨迹 19

4.3.1 纤维铺层类型 19

4.3.2优化纤维铺放角度生成 20

4.4 优化纤维铺放角度前后特性的比较 21

4.4.1屈曲模态图的比较 21

4.4.2 载荷—挠度曲线的比较 22

4.5 本章小结 25

第5章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 选题的目的及意义

目前，复合材料产业蓬勃发展，特别是高性能碳纤维复合材料等的先进复合材料在航空航天领域里发挥着不可替代的作用^[1~3]。在航空航天领域，飞行器的轻量化是一个重要的课题。结构重量的减轻不仅可以提高飞行器机动性，又可以降低耗油量，延长飞行器工作时间。

为了实现飞行器的轻量化，20世纪60年代末期，复合材料开始在军用飞机（如B-1、B-2、F-16）上得到应用^[4]。复合材料在飞行器轻量化过程中发挥了巨大的作用，由于其具有高比强度、高比模量、可设计性等特点，相对于其他金属材料有减重明显的优势，使其在飞行器的制造上得到越来越广泛的应用。近年来，复合材料在大型飞机（A380、B878和A350）的机翼、后机身、进气道等部位有大量应用。如在B787上复合材料的用量达到了50%，B787材料用量与分布如图1.1所示^[5]。