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薄壁结构具有超强的能量吸收性能、高比刚度和比强度,是常用且重要的实现性能提升和轻量化设计的结构形式。交通运输和航空航天等高端装备的发展对薄壁结构的能量吸收性能和轻量化需求日益提升,因此发现和设计优质薄壁结构构型成为迫切需求。薄壁结构的性能依赖于其几何形貌(形状、内部结构构型及壁厚等),因此需要根据具体需求获得优质的几何形貌,发展高效的结构设计方法;结构的复杂程度及制造成本与制造工艺密切相关,并且不同工艺制造的结构存在不同的几何特征,因此发展考虑制造工艺的优质构型设计方法,获得性能优异且便于制造的结构设计,是另一需要进一步研究的问题。超塑成形是重要的薄壁结构成型工艺,超塑成形结构的疲劳破坏常发生于结构尖角等应力集中区域。研究尖角附近结构特征设计(例如本文研究的预设非焊合区的分布设计)方法,实现应力集中缓和,具有重要意义。本文针对薄壁结构冲击吸能提升需求,研究建立含形貌特征约束的薄壁结构形貌设计优化方法、基于拼焊和柔性轧制工艺的薄壁结构设计方法,提出基于轴向几何特征设计的薄壁管能量吸收性能提升设计方案;针对薄壁结构应力集中缓和需求,研究建立基于预设孔洞的超塑成形钛合金薄壁结构的应力集中缓和设计方法。主要研究内容和成果如下。(1)含形貌特征约束的变厚度薄壁吸能结构的形貌优化方法。调整薄壁结构的形貌以及厚度分布,可控制结构的变形模式,实现吸能性能的提升。由于制造工艺和成本限制,变厚度板需要具有特定的形貌特征以降低结构制造的复杂度,因此需要发展考虑形貌特征约束的优化设计方法。本文建立了一种基于混合元胞自动机(HCA)的结构拓扑优化方法,可实现含形貌特征约束的变厚度薄壁吸能结构的形貌优化。通过在HCA优化流程中增加厚度分布特征约束,使最终设计构型满足特定的形貌特征。以薄板结构受横向冲击问题为例,利用所提出的形貌设计方法,设计了不同特征约束的高吸能结构形貌,并基于数值分析技术对优化设计的性能进行了表征。结果表明,与初始设计相比,新的设计方案的结构特征符合所要求的特定形貌特征,且吸能性能提升显著。(2)考虑制造工艺约束的耐撞性变厚度薄壁结构设计。变厚度设计可提升薄壁结构的性能,而新型制备工艺的发展为变厚度设计的可制造性提供了保证。不同的制造工艺能够制造的薄壁结构的厚度变化的复杂程度不同。因此,结合特定的制造工艺,考虑可制造的厚度变化形式(单向梯度变厚度、分区变厚度,含梯度过渡区的分区变厚度等)建立薄壁结构设计方法,以获得优质可制造的薄壁结构,具有重要意义。本文基于所提出的考虑形貌特征约束的变厚度薄壁结构设计方法,针对拼焊板(TWB)和柔性轧制板(TRB)两种薄壁型材,建立了适用于拼焊和柔性轧制工艺的可制造变厚度薄壁结构形貌优化方法,设计了吸能性能优化的帽型薄壁梁变厚度形貌设计方案。基于数值分析技术对设计方案进行性能分析,结果表明所得的设计方案具有特定工艺可制造的结构形貌特征;与初始构型相比,优化设计方案具有良好的性能提升效果。(3)基于轴向几何特征设计的薄壁管结构吸能性能提升设计。为提升薄壁管结构的能量吸收性能,需控制结构的变形模式。然而,现有的薄壁管结构设计方案主要局限于结构截面几何和结构壁厚分布设计。我们通过结构轴向几何构型设计,使结构在变形时产生尽可能多的塑性铰和塑性变形区域,并形成稳定的塑性渐进屈曲变形模式,从而增加结构吸能。针对该设计思路,本文提出了两种薄壁管设计方案:(1)内部增加横隔板的薄壁管结构设计。为抑制薄壁管轴向压缩变形时的整体失稳,我们提出了在管内添加横隔板的方式改变结构的变形模式。我们以薄壁方管、薄壁非凸管等薄壁管结构为例,研究了横隔板对结构冲击变形与吸能性能的影响,并通过参数优化的方式得到了性能最优时的结构参数。结果表明,优化后的设计方案能够大幅增加结构的冲击吸能,内部增加横隔板是一种有效的薄壁结构性能提升设计。(2)基于轴线形状优化的薄壁管结构设计。曲线型薄壁管在冲击载荷作用下的结构变形受轴线形状的影响很大,且塑性变形容易集中于结构局部位置。为提升变形吸能的效率,以轴线关键点坐标为形状描述参数,建立了轴线形状优化设计模型。针对典型截面形状,获得了不同载荷作用下的曲线薄壁管结构最优曲线形状。设计结果表明,轴线形状优化可大大提升结构的冲击吸能性能。(4)基于预设孔洞的超塑成形钛合金薄壁结构应力集中缓和设计。超塑成型是薄壁结构的重要成型工艺,超塑成型结构的疲劳破坏常发生于结构尖角等应力集中区域,发展应力集中缓和设计方法,具有重要意义。本文针对扩散连接-超塑成形钛合金薄壁叶片结构,研究建立薄壁结构应力集中缓和设计方法。首先,建立了超塑成型结构成型过程仿真数学模型,并分析了特定成型过程下结构尖角的形状和局部曲率。随后,分析了在尖角附近预设孔洞的钛合金薄壁叶片的成形过程,研究表明在结构成形前预设孔洞可改变结构成形后的尖角形状和最大曲率。在此基础上,研究建立了以孔洞描述参数为设计变量、以尖角附近最大曲率最小为优化目标的应力集中缓和优化设计模型。最后,针对典型结构,利用优化模型获得了使应力集中缓和效果最明显的预设孔洞参数。对该结构成形过程的数值仿真分析表明,在钛合金薄壁结构内合理布置预设孔洞可显著降低结构尖角处的最大曲率,从而实现结构应力集中缓和。