黏弹性复合材料结构的遗传算法优化设计研究

《黏弹性复合材料结构的遗传算法优化设计研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论第1章绪论在航空航天工程领域，先进飞行器对结构质量极其敏感，需求很好的高强抗振性能。一种轻质高强抗振的材料或许能解决此类问题，但实际上，人们一直在寻找这样的材料。在飞行器结构设计中，传统材料的“轻质”和“高强”往往是不兼容的，且抗振减噪能力有限。解决问题的途径一是寻找轻质高强而且抗振的一种新型材料；二是将一种材料的轻质高强特性和另一种材料的抗振特性结合到一起，制成一种轻质高强抗振的结构。复合材料的轻质高强性能的突出优点，有时设计人员即使牺牲成本和一些技术保障性也愿意采用复合材料，以达

2、到减重和改善气动弹性和隐身性能的目的。虽然复合材料自身也具有一定的阻尼性能，但是还远远没达到当代先进飞行器所需求的阻尼性能要求。复合材料夹层结构[1]在飞机结构设计中应用广泛，其结构由复合材料面板、轻质芯材、胶粘剂所组成。本文所研究的黏弹性复合材料结构是轻质芯材为黏弹性阻尼材料的夹层结构，该结构具有质轻高强、耐疲劳性能好以及良好的减振特性。航天领域的导弹、火箭、卫星等也有着大量的应用，且应用范围会越来越大，应用前景越来越广。但是一种新材料的加入必然会对原有结构的某些性能有所影响，为了使新结构能适应实际需求，有必要对新

3、结构进行优化设计。遗传算法，模仿生物遗传进化过程开发的一种计算机模拟的概率搜索算法[2]。遗传算法理念由Holland[3]教授提出，基于此算法思想，DeJong[4]用测试函数在计算机上做了优化仿真实验。随后，Goldberg[5]对该算法理论做了系统性的总结，构造出一般遗传算法的基本框架。随着遗传算法理论的不断完善、搜索优化性能的不断提高以及一些自适应遗传算法的提出，针对一些多约束、多目标等复杂函数的优化问题，遗传算法可以得出较好的优化解。此算法己广泛应用于多个学科领域[6-11]，在复合材料结构性能的优化方面也

4、有许多的应用。1.1选题依据及意义先进复合材料在轻型、高性能飞行器上的使用起着至关重要的影响。飞机结构的设计[12]，从木、布结构到30年代的全金属结构，其对飞机结构性能的提升已达到了一定限度；直到60年代，复合材料迅速发展，英国研制的碳纤维复合材料、美国研制的硼纤维使复合材料开始广泛应用于先进飞行器结构1南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论中。美国研制的B-2隐身轰炸机复合材料用量达到60%以上，美国的RAH-66科曼奇直升机和V-22倾转旋翼攻击运输机的复合材料用量也都超过了50%[13]。尽管先进复合材料大量应用

5、到航空航天领域，但是解决飞行器结构产生的振动和噪声问题是进一步提升其性能的关键。复合材料结构因在外界及自身激励下会产生振动和噪声，严重降低了其力学性能。对于一些大功率推进装置和流体摩擦，像飞机、运载火箭以及导弹在其飞行过程中，很容易成为结构振动的振源，产生强烈的振动和噪声。若不妥善解决，因谐振响应，轻则影响系统工作，缩短疲劳寿命，重则引起结构损坏甚至断裂。很大程度上，舰艇性能优良取决于其隐蔽及抗干扰性能，而振动、噪声是直接影响该性能的主要因素，也是影响潜艇声纳探测能力的关键。据称，卫星事故的大多数故障就与振动和噪声有

6、关[14]。根据结构中振动和噪声的传播途径不同，其治理的方法也会不同，但都可以采用减振降噪材料来治理。基于阻尼材料的耗能减振特性，能将结构的部分振动机械能转变为热能耗散掉，以阻止振动和噪声在结构中的传播。阻尼减振是控制振动和噪声传播的重要技术手段[15]，也是最经济、简便、有效的方法。黏弹性阻尼材料作为一种能抑制结构振动的材料[16]，通过吸收和散热消耗结构振动的能量。阻尼机理是自身高分子聚合物受外力作用产生形变，作用于弹性部位的机械能被吸收直到外力消除被释放，形变恢复；作用于黏性部位的振动机械能使阻尼材料的高分子链

7、段发生位移，机械能由高分子间的内部摩擦转变为热能耗散掉。能量的吸收、转换和耗散的循环过程，可以作为结构减振的体现。若将黏弹性阻尼材料的阻尼性能用动态力学性能表征，其基本参数为动态模量和损耗因子，损耗因子是能量损耗和阻尼能力的直接度量，如(1-1)式所示。MMiMM(1i)M(1-1)tanM式(1-1)中：M*为复数模量；M"为复数模量的虚部；M＇为复数模量的实部；η为损耗因子；i=1。在实际工作中，某些源于振动系统中的阻力会让振动逐渐衰减至停止。阻力通常有两方面，一是系统内部的固

8、有阻尼，例如系统各构件之间的摩擦阻力、系统内气体的阻力等；二是外部附加阻尼，阻尼材料一般不作受载材料使用，2南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论而是附加到振动结构上，从而形成阻尼复合结构。就复合材料层合板而言，其系统的固有阻尼难以起到减振作用。将黏弹性阻尼材料添加到复合材料结构中，能显著提高结构阻尼，从而可以控制稳态的共振，削弱振动和噪声在结构中