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论文类型：会议论文

发表时间：2014-10-10

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关键字：热弹性结构 点阵材料 结构/材料并发优化 扩展多尺度有限元

摘要：结构轻量化及高温热载荷问题成为新型飞行器能否实现既定设计与高速飞行的关键设计因素。传统意义上将承载与热防护分开的设计已无法满足实际需求,飞行器结构“承载”与“防热”多功能一体化设计成为航天工业备受关注的科学问题。近年来出现的周期性点阵材料由于具有优良的比刚度/强度及阻尼减振、吸声、隔热等多功能应用潜力,被认为是构成航空、航天飞行器热弹性结构最有潜力的新一代超轻质材料。而点阵材料构成此类结构时,由于含有大量的微观构件,结构建模和响应分析的工作量巨大,传统有限元分析和结构优化技术已经不适用。而传统基于数学均匀化方法的等效分析中,忽略了点阵材料微单胞尺寸效应的影响,且无法有效反应微构件的局部应力值,难以满足飞行器日益苛刻的设计要求。本研究应用新型结构多尺度分析方法——扩展多尺度有限元法(Extended Multiscale Finite Element Method,EMsFEM),引入宏观密度和微观杆件的截面积两类独立的设计变量,以材料体积用量为约束,对热弹性点阵结构进行了材料/结构双尺度并发的最小柔顺性设计。数值算例验证了点阵结构并发优化设计的优越性及优化模型和算法的可靠性。同时讨论了材料微单胞的几何尺寸、热载荷与机械载荷的相对大小及基体材料用量对优化结果的影响。结果表明,材料微结构的几何尺寸对优化结果的影响表现在设计空间和材料利用效率之间的矛盾,而矛盾的平衡可实现材料的最优分布；结构所受载荷的大小对双尺度优化结果有着显著影响,材料最优构型应考虑其适用的载荷情况及边界条件；对于热载荷作用下的结构,材料用量有一个“最优体积”,超过该体积,增加材料用量并不能改善结构的性能,这显著区别于经典的机械载荷下的结构柔顺性优化。