功能梯度材料構件分析與設計.pdf

1、梯度功能材料(Functionally Graded Material，FGM)是一種由兩種或兩種以上材料組成的可以設計組分空間分布的復合材料。研究者們對于FGM的研究有著極大興趣。尤其在航空航天領域中有著巨大的應用前景，受到了飛機設計部門的廣泛關注。減重是飛機結構設計所關心的重要問題。目前飛機機身結構環(huán)形框主要是金屬材料，為了研發(fā)新型飛機，設計部門要求探討采用梯度材料代替鈦合金以進一步減輕重量、提高性能的可行性。本項研究以梁結構為主要

2、設計構件，利用考慮翹曲的梁理論，建立分析基本模型，通過拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等方法，確定功能梯度材料構件的材料最優(yōu)分布以及過渡區(qū)的材料性質的梯度變化規(guī)律。本文的主要內容如下： 1．在閱讀大量文獻的基礎上，綜述了功能梯度材料的研究現狀和應用情況，指出功能梯度材料研究的重要意義。 (詳見第一章)2．簡要介紹了考慮翹曲的梁理論以及常用的拓撲優(yōu)化方法，通過理論推導，得出適合于設計梁截面功能梯度材料拓撲優(yōu)化的設計模型，對教研組原有程序進行改進

3、，使其應用于功能梯度材料的拓撲優(yōu)化設計，通過優(yōu)化分析得到了在不同載荷和不同網格劃分情況下，功能梯度梁截面的最優(yōu)材料分布。 (詳見第二章)3．研究層合結構層間梯度層的最優(yōu)布置問題。對于不同材料組成的層合結構，梯度層的位置決定了各層材料的厚度，從而可實現承載能力和不同材料用量的設計。以層合粱為對象，建立了以梁的承載效率(承載能力與所用材料價格的比值)為目標的最優(yōu)梯度層設計優(yōu)化問題的提法和求解方法。通過設計梯度層的位置布置使整個梁截面性能達到

4、最優(yōu)。 (詳見第三章)4．對機身結構某典型框進行了分析，實現了原始模型的參數化建模，并以最小重量為目標進行了參數化設計優(yōu)化。以優(yōu)化結果為依據，初步設計了材料的分布，并嘗試將FGM設計方法運用到工程實際當中，得到了較好的效果。 (詳見第四章)本文工作得到了國家自然科學基金(編號：10332010， 10421202)和國家重點基礎研究計劃(973計劃)(編號：2006CB601205)以及教育部“新世紀優(yōu)秀人才”培養(yǎng)計劃(2004)的資助