文摘

本文试图探讨夹层板的颤振特征组成的叠层facesheets和功能梯度泡沫核心。泡沫的核心变化的宏观性质不断沿着这个方向平行于facesheet板。研究中使用的模型是一个简单的三明治panel-wing夹根,与三个简单类型的分级为女性生殖器切割的核心策略:线性评分策略chord-wise方向,线性评分策略span-wise方向,泡沫芯的双线性评分的属性面板。结果表明,使用女性生殖器切割的核心有潜力增加夹层板的颤振速度。最后,最小重量设计复合夹层板facesheet纹理参数和密度分布的泡沫核心作为设计变量是使用粒子群优化(PSO)进行。

1。介绍

气动弹性现象是由于弹性和空气动力的相互作用,发生在飞行途中可能是破坏性的,导致飞机的损失(1]。机翼结构的刚度和质量分布都有对气动弹性特性的影响。功能梯度材料不断不同属性的空间变化的分布两个(或更多)的材料。过程使结构刚度和质量分布的变化而不一定需要一个几何结构几何形状的变化,所以女性生殖器切割可以一个新颖的气动弹性剪裁的概念2]。使用气动弹性剪裁功能梯度材料的概念并不是全新的。高速飞机,许多研究人员(3- - - - - -6)研究了功能梯度材料的热颤振分析(过程)板力学性能不同的厚度。这是因为温度的分布影响热颤振行为很重要,所以过程已被证明在这些论文提高aerothermoelastic面板颤振边界(2]。对于低速结构,郭(7]研究了组合板的颤振分析与变量纤维间距。利布雷斯库和Maalawi8]研究悬臂翼使用材料的扭转发散稳定复合材料的纤维体积分数分级优化材料分布。邓宁et al。2]研究女性生殖器切割的效率金属悬臂板翼的气动弹性剪裁使用材料分级和几何分级和得出结论,一个女性生殖器切割可以用于提高性能的弹性板翼而统一的材料设计。邓宁等人填补差距在文献中有关FGM-based考虑金属机翼气动弹性剪裁的低速(亚音速)条件。

基于作者之前的研究(9),本文认为加强plate-wing低速颤振行为,其结构由叠层facesheets和功能梯度泡沫核心。本研究旨在考虑夹层板的颤振特性的宏观性质泡沫核心变化不断沿着这个方向平行于facesheet板。研究中使用的模型是一个简单的夹层板夹根,与三个简单类型的分级根据[女性生殖器切割的核心策略2]:线性评分策略chord-wise方向,线性评分策略span-wise方向,泡沫芯的双线性评分的属性面板。对于一个典型的夹层板厚核心()、弯曲和横向剪切刚度facesheet本身可以被忽视。在目前的研究中,复合夹层刚度矩阵计算使用纹理参数的复合facesheets厚夹层板,研究了复合夹层板的颤振速度使用纹理参数,与泡沫密度分布和剪切模量分布对颤振速度考虑。

2。等效刚度矩阵的三明治

在悬臂复合夹层板(1.2米×0.4米),一端固定,厚度facesheet和泡沫的核心是0.0005米和0.01米。T300 / QY8911用于复合材料特性的facesheet表中列出1。泊松比各向同性材料的房地产泡沫的核心。

三明治的刚度矩阵可以写成facesheet和核心刚度如下(10]:

对于复合facesheet,膜刚度矩阵可以表示纹理参数和材料的刚度不变量:

材料刚度不变量计算如下: 在哪里,,,,。

膜层压参数的积分:

纹理参数不能任意选择。层压板的0,90年,45岁的和−45度纤维角度,。考虑到依赖,平面纹理参数的可行域是由(11]

3所示。梯度材料泡沫的核心属性

密度梯度的泡沫材料,计算闭孔泡沫材料的杨氏模量,肖et al。12给一个修改方程基于吉布森方程(13]: 在哪里和杨氏模量和质量密度闭孔泡沫的分别;和杨氏模量和质量密度的固体材料细胞壁,分别。固体材料的材料特性是假定:= 100 MPa和= 80公斤/米³。

颤振速度总是受到span-wise弯曲刚度和chord-wise翼板的扭转刚度。为了研究颤振速度分级弯曲和扭转刚度,三种类型的分级策略(2)采用考虑分级横向剪切复合泡沫核心的三明治颤振特性。

分级策略1(GS1,如图所示2(一个))。密度分级chord-wise方向如下: 在哪里和是闭孔泡沫的质量密度的前缘和后缘,分别;表示面板的宽度。

分级策略2(GS2,如图所示2 (b))。密度分级span-wise方向如下: 在哪里和是闭孔泡沫的质量密度的根边缘和尖端边缘,分别;表示面板的长度。

分级策略3(GS3,如图所示2 (c))。密度斜跨的评分面如下: 在哪里和是闭孔泡沫的质量密度的上界和下界,分别。

提交的到(6),DG闭孔泡沫的杨氏模量。

4所示。颤振速度复合夹层板

4.1。空气弹性变形的解决方法

PK-method方法采用颤振速度计算(14]。PK-method的主要优点是它产生的结果直接为给定值的速度 在哪里,,表示模态质量矩阵、模态刚度矩阵和模态阻尼矩阵,分别。,,,表示特征值、密度、参考弦长和速度。和是模态空气动力矩阵和模态气动阻尼矩阵,这两个函数的马赫数(Ma)和频率()。散度的速度时可以评估倾向于零。

4.2。颤振速度轮廓为各种层压板配置

保持的总质量核心常数和不同密度的泡沫和密度梯度的影响改变泡沫芯的颤振速度了。描述质量密度的变化范围,梯度因子(GF)被定义为之间的区别和在表2。

4.2.1。准备颤振速度轮廓与梯度泡沫正交的面板

正交各向异性夹层板(facesheets)研究首先,如图3。正交的面板的bending-torsional颤振是由于第二弯曲之间的耦合模式和第一扭转模式,与第二模式作为重要的振动模式。的历史的阻尼和频率准各向同性的前四个模式面板(见图4。临界颤振模式是第二模式。

图5给出了颤振速度轮廓与各种梯度变化对正交异性夹层板。三种类型的分级策略,得出夹层板的颤振速度增加的梯度变化泡沫芯(GF)增加,尽管核心的总质量保持不变。速度轮廓也持续可行的纹理参数区域内,所有第二模式作为重要的振动模式。表3给不同等级的颤振速度的平均增长策略和评分因素与夹层板没有梯度的变化。此外,密度分级策略chord-wise方向(GS1)对颤振速度,最明显的影响和密度对角评分小组(GS3)更少的影响比其他两个分级策略。和对角线密度分级策略可能会导致轻微的颤振速度的降低。

4.2.2。颤振速度轮廓与梯度泡沫Nonorthotropic面板

当是正的,bending-torsional颤振模式仍然是一样的正交异性夹层板(9]。当是负的,可能会有另一个颤振模式在纹理参数的一部分地区(显示为图吗6),第三个模式作为重要的振动模式。两组在图纹理参数6选择检查层配置在颤振的影响模式:B点:,,,C点:,,。

图7显示了历史的第一个四个模式的阻尼和频率两种情况。

图8细节的颤振速度和各种梯度因素两组。两套,密度分级策略chord-wise方向(GS1)最明显的对颤振速度的影响。C点,夹层板的颤振速度增加的梯度变化泡沫芯(GF)增加的总质量核心保持常数GS1 GS2,同时,对于B点,发生颤振速度的降低而GS1 nongradient面板和GS2。梯度变化有可能提高颤振速度。和对角线密度分级(GS3)策略可能会导致轻微的颤振速度的降低两组。这是因为颤振特性依赖于其他几个因素:翼扫,长宽比和刚度分布。然而,这表明适当的梯度泡沫有潜力的颤振速度三明治窗格。

5。数值优化的例子

5.1。数值例子说明

最小重量设计的悬臂式夹层板如图1与颤振速度散度约束。设计变量包括厚度和膜facesheet纹理参数()、厚度和密度分布的泡沫核心(),因为密度分级策略chord-wise方向(GS1)对颤振速度最明显的影响,所以选择GS1作为泡沫核心密度分级策略。假设临界转速不少于130 m / s。纹理参数的约束,,(描述11),的绑定约束,,,是假定。

优化问题可以表示如下:

5.2。优化算法

因为能够处理连续非线性目标函数全局优化问题,粒子群优化算法(PSO)是一种进化的全球和越来越受欢迎。算法进行首次提出了肯尼迪和埃伯哈特(15,16]。这是观察到一群鸟类或昆虫以一个非常典型的方式寻找食物。如果一个群体的成员去找到一个理想的路径,其余的粒子将很快跟进。每个粒子搜索的最佳位置,从自己的经验中学习。此外,每个成员的学习,通常表现最好的。算法已成功应用于一些工程和结构问题。

粒子群优化算法的基本步骤如下。

步骤1。初始化群体随机位置值和随机初始速度。

步骤2。确定每个粒子的速度矢量在蜂群使用最佳位置的知识获得的每个粒子群作为一个整体,也前群中的每个粒子的位置。

步骤3。修改每个粒子的当前位置使用速度矢量和前面的每个粒子的位置。

步骤4。重复的步骤2直到停止准则。

每个粒子的速度矢量计算如下: 的上标表示粒子和下标表示迭代次数;表示速度和表示位置;和在间隔均匀分布随机数;和加速常数;惯性权重;是最好的位置获得的粒子迄今为止在蜂群是全球最好的位置在迭代中获得的群吗。

每个粒子在迭代的位置使用公式计算:

5.3。结果

根据((9 - 11)9),与最优facesheet厚度(0.125毫米)和最佳纹理参数),可以获得相应的facesheet层厚度()。泡沫的密度分布的核心公斤/米³。所以最优配置了三明治,如表所示4。颤振速度和散度的最佳三明治配置130.00 m / s, 213.95 m / s,分别如图所示9。

6。结论

本文研究了悬臂式夹层板的颤振速度使用复合facesheet纹理参数,用密度梯度对夹层板的影响。结果表明,夹层板的颤振速度有可能增加适当的梯度变化时的泡沫芯(GF)增加chord-wise战略和span-wise战略核心的总质量不变。最小重量设计复合夹层板facesheet纹理参数和密度分布的泡沫核心为设计变量进行了使用算法。结果表明,PSO算法可以有效的纹理方法研究optimizaiton问题。

进行一系列的颤振分析的一系列功能梯度复合夹层的核心。先前的研究在这一领域已经表明,机翼颤振特征敏感几何(例如,长宽比和扫描)以及材料特性,本文的结论有点简单。进一步的研究将集中在仔细分析考虑其他关键参数基于现有文献和提供一个更全面的讨论。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持这项工作由中国国家自然科学基金(11402204)。