本文關(guān)鍵詞：蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)的頻響特性分析與優(yōu)化

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【摘要】：在現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域內(nèi),飛行器能否保持穩(wěn)定優(yōu)良的飛行狀態(tài)一直被普遍關(guān)注�，F(xiàn)代飛行器的發(fā)展方向是擁有自適應機翼,以便于在可控范圍內(nèi)實現(xiàn)機翼的自主形變——平面的拉伸和壓縮、空間上的彎曲扭轉(zhuǎn)等——來適應不同的空中環(huán)境變化。自適應機翼的研究重點是研制超彈性蒙皮,使其既可以形成流線型的機翼外表面,又可以承受垂直于其表面的局部氣動載荷,還能夠通過智能控制,實現(xiàn)上述的各種自主形變。現(xiàn)階段,這種同時具備荷載能力和較大形變的超彈性蒙皮已經(jīng)歷過一些嘗試,但在變形量、剛度、強度和抗振性等方面都不能很好地滿足未來飛行器的要求。本文基于國家級自然基金課題“超彈性蒙皮結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、變形機理研究”(項目編號：51075380),將現(xiàn)階段的研究熱點蜂窩芯結(jié)構(gòu)應用于超彈性蜂窩芯蒙皮,針對現(xiàn)階段蒙皮結(jié)構(gòu)的不足以及各類蜂窩芯結(jié)構(gòu)的特點,選用負泊松比六邊形蜂窩芯結(jié)構(gòu),采取柔順蜂窩芯布局,希望將結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強、較大的變形能力和較強的抗振性等全面考慮,設(shè)計出能夠具有普適性和可控性的自適應機翼蒙皮結(jié)構(gòu)。此種機翼蒙皮的設(shè)計核心為負泊松比六邊形蜂窩結(jié)構(gòu),對其結(jié)構(gòu)性能的研究成為超彈性蒙皮研制的首要問題。 本文針對負泊松比蜂窩拓撲的頻響特性問題,設(shè)定參數(shù)為蜂窩芯結(jié)構(gòu)的主要尺寸,以提高蜂窩芯前二階固有頻率和減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標,將響應面法應用于蜂窩結(jié)構(gòu),選取二次表達式構(gòu)造研究對象與目標間的近似函數(shù)關(guān)系。設(shè)計16次正交試驗,進行ANSYS頻響特性分析,使用加權(quán)系數(shù)法對各目標設(shè)定一定的權(quán)重系數(shù),將前二階固有頻率和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的多目標優(yōu)化集合為單目標優(yōu)化,引入遺傳算法,對此單目標優(yōu)化進行迭代和求解。具體算例表明,優(yōu)化后的蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)在抗振性上有較大的提高,結(jié)構(gòu)的質(zhì)量也有了顯著的降低。此種方法為超彈性柔順蜂窩芯蒙皮的設(shè)計提供了一定的理論支持。文章主要包含以下幾個方面的內(nèi)容。 1.總結(jié)和闡釋了國內(nèi)外關(guān)于智能飛行器尤其是自適應機翼的研究現(xiàn)狀,同時介紹和分析了研制超彈性蒙皮所需的智能材料和蜂窩結(jié)構(gòu),其中負泊松比六邊形蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)是本文的研究重點。本文針對此結(jié)構(gòu)展開研究框架,實施研究內(nèi)容,奠定了以負泊松比六邊形蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)研制超彈性蒙皮的基礎(chǔ)。 2.運用響應面算法對蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)固有頻率建模。闡述響應面法的原理和優(yōu)勢,同時在響應面法的經(jīng)典數(shù)學模型中加入了中心展開點,對算法進行了改進。確立拓撲結(jié)構(gòu)模型參數(shù),針對該結(jié)構(gòu)的頻響特性建立低階固有頻率的數(shù)學模型,并確立了以復相關(guān)系數(shù)為基礎(chǔ)的兩種響應面建模方法的統(tǒng)計評價指標。分析和應用了響應面法中所使用的正交試驗法,構(gòu)建了建�！囼灐獌�(yōu)化的基本流程。 3. ANSYS有限元仿真試驗,建立低階蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)固有頻率數(shù)學模型。對有限元法的原理和ANSYS軟件操作做了一定的闡述,使用APDL語言對蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化建模,利用設(shè)計的16次正交試驗所得數(shù)據(jù)進行仿真試驗,得到前四階模態(tài)振型以及固有頻率數(shù)值。推導出了以蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為基礎(chǔ)的低階固有頻率數(shù)學模型。 4.遺傳算法優(yōu)化,提高結(jié)構(gòu)的前二階固有頻率,以最優(yōu)集的方式將前二階固有頻率模型的多目標優(yōu)化轉(zhuǎn)換為單目標優(yōu)化,最終大幅提升了拓撲結(jié)構(gòu)的前二階固有頻率,同時得到了該模式下的參數(shù)組合。 以理論建模、仿真試驗分析和算法優(yōu)化相結(jié)合的研究方法,可靠性較高,為超彈性蜂窩蒙皮的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),也為自適應機翼的穩(wěn)定性研究提供了理論支持。
【關(guān)鍵詞】：蜂窩拓撲結(jié)構(gòu) 頻響特性 響應面法 多目標優(yōu)化
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V214.6
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-28
• 1.1 研究背景及目的12
• 1.2 智能變形飛行器與自適應機翼12-20
• 1.2.1 智能變形飛行器研究進展12-17
• 1.2.2 自適應機翼研究進展17-20
• 1.3 智能材料與蜂窩結(jié)構(gòu)20-25
• 1.3.1 智能材料20-22
• 1.3.2 蜂窩結(jié)構(gòu)特性22-25
• 1.3.3 蜂窩結(jié)構(gòu)研究進展25
• 1.4 論文來源及主要內(nèi)容25-28
• 第2章 基于響應面法建立蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)固有頻率數(shù)學模型28-42
• 2.1 響應面法原理及優(yōu)勢28-36
• 2.1.1 響應面法理論建模29-32
• 2.1.2 加入中心點后的矩陣算法改進32-33
• 2.1.3 建立響應面法多目標優(yōu)化流程及h參數(shù)的引入33-35
• 2.1.4 響應面數(shù)學模型的統(tǒng)計評價指標35-36
• 2.2 試驗設(shè)計36-40
• 2.2.1 正交試驗設(shè)計36-37
• 2.2.2 正交設(shè)計應用于蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)37-40
• 2.3 本章小結(jié)40-42
• 第3章 有限元仿真分析試驗及模型驗證42-57
• 3.1 有限元法原理及過程42-43
• 3.2 前處理43-49
• 3.2.1 蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)實體模型44-46
• 3.2.2 定義材料特性46-47
• 3.2.3 網(wǎng)絡劃分及模型加載47-49
• 3.3 ANSYS模態(tài)分析49-53
• 3.3.1 模態(tài)分析原理49
• 3.3.2 ANSYS模態(tài)分析及模態(tài)擴展49-50
• 3.3.3 對有限元模態(tài)仿真結(jié)果分析50-53
• 3.4 前二階固有頻率數(shù)學模型53
• 3.5 數(shù)學模型擬合程度評價53-54
• 3.6 本章小結(jié)54-57
• 第4章 遺傳算法進行頻響特性優(yōu)化57-63
• 4.1 遺傳算法簡介57-60
• 4.2 蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化60-61
• 4.3 本章小結(jié)61-63
• 第5章 總結(jié)與展望63-65
• 5.1 總結(jié)63
• 5.2 展望63-65
• 參考文獻65-69
• 致謝69-71
• 碩士研究生階段發(fā)表的學術(shù)論文71

【參考文獻】

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本文編號：563457