复合材料梯形波纹夹层板的优化设计

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1、总第167期2011年第2期直升机技术HELICOPTERTECHNIQUETotalNo．167No．220ll文章编号：1673．1220(2011)02-015-05复合材料梯形波纹夹层板的优化设计郑亚雄(中航工业直升机设计研究所，江西景德镇333001)摘要针对复合材料梯形波纹夹层板的优化设计，提出了一个三步优化方法。第1步和第3步以结构质量为目标函数，使用广义简约梯度法进行尺寸优化，第2步以临界载荷为目标函数，使用遗传算法进行铺层优化。最后通过算例验证了优化策略的有效性。关键词复合材料；波纹夹层板；优化设计中图分类号：V229+．

2、7文献标识码：AOptimalDesignofCompositeSandwichStructure丽tllaTrapezoidCorrugatedCoreZHENGYaxiong(ChinaHelicopterResearchandDevelopmentInstitute，Jingdezhen333001，China)AbstractAthree——stepoptimizationmethodfortypicalcompositesandwichstructurewithatrape·zoidcorrugatedcorewasdevelop

3、ed．Inthefirstandthethirdstep，GeneralizedReducedGradientMethodwasusedforsizedesignoptimization．Inthesecondstep，GeneticAlgorithmwasadoptedforstackingsequenceoptimizationtoimprovecriticalload．Anexamplewasgiventodemonstratethea—vailabilityofthemethod．Keywordscomposite；corrugat

4、edsandwich；optimaldesign0引言夹层结构由两块高强度面板与充填在两面板间的夹芯组成。采用夹层结构可以提高材料的有效利用率并减轻结构重量，因此在航空、航天、航海领域都得到了广泛应用。波纹夹层板是用各种形状的波形板或型条作为夹芯的夹层板，主要分为型条夹层板、折线波波纹夹层板和曲线波波纹夹层板三大类，如图1Llo所示。一一图1波纹夹层板的构造收稿日期：2010-04-29作者简介：郑亚雄(1984一)，男，江西高安人，博士，工程师，主要研究方向：直升机静强度设计。·16·直升机技术总第167期研究表明，波纹夹层结构与蜂窝夹层

5、结构相比，在受压状态具有更高的承载效率(极限载荷与结构重量之比)旧J，并且在撞击作用下有更好的吸能效果旧j。因此波纹夹层结构有望作为一种新型主承力结构在直升机上应用。很明显，波纹夹层板的夹层截面形式和尺寸都会对夹层板的性能产生影响，因此有必要对夹层板进行优化设计以提高其力学性能。目前对加筋壁板和泡渺蜂窝夹层结构的优化设计已开展了大量的研究工作，但对波纹夹层板优化设计的研究较少。文献[4]和[5]针对两端简支、受纵向均匀压力的波纹夹层板研究了多种不同截面形式的尺寸优化。并对其承载能力进行了比较。对波纹夹层板的现有研究大都局限在各向同性的金属材

6、料上，而没有考虑到复合材料各向异性和铺层可设计性的特点。随着复合材料在结构上的应用不断增加，有必要对复合材料的波纹夹层板优化进行研究。计算表明，作为承压结构，型条夹层板具有较高的承载效率HJ。但考虑到工艺性原因，目前使用的复合材料波纹夹层板以梯形波纹夹层为主。因此本文针对梯形波纹夹层板进行优化设计，对于其他形式可用相同的方法分析。1受压梯形波纹夹层板失效分析典型的梯形波纹夹层板如图2所示。板长度为L，宽度为w，上下面板间厚度为h，夹芯波长为入，与面板连接区宽度为b，面板厚度为‘，，夹芯厚度为t。，沿板长方向作用有均布压力，单位长度上的载荷为

7、P。图2梯形波纹夹层板示意图受压波纹夹层板的破坏形式主要有整体屈曲、局部屈曲(包括面板和夹芯屈曲)及材料屈服三种。单位长度的夹层板承载面积为A=4+A。其中，AI=2t／，A。=÷(2b+再再玎闻和加筋板类似，波纹夹层板可忽略两侧边的支持效应，而当作组合宽柱处理。端部简支且不考虑横向剪切效应时，整体屈曲的EuIer屈曲载荷为D—D。L—L2其中D。为夹层板弯曲刚度，对于波纹夹层板，等效弯曲剐度为D。=E：I。+÷E；tfh2=Et{＼b2tC入h2-+toh2,,／4h212+入(),-2b)2／J+芦1ftfh2E：和E；分别为夹芯和面板

8、的弯曲弹性模量。考虑横向剪切效应时，夹层板屈曲载荷修正为DP。‘。’1+P。GA，．kP。～2hA66c单位长度面板和夹芯上的载荷分别为N，=xjiEjf—tf(瓦P，N。=五j