【摘 要】
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纤维增强复合材料具有高比强度、高比刚度、密度低和抗腐蚀性能好等特点,对于结构轻量化设计及结构性能的提升大有裨益,因此被广泛运用于航空航天,海洋结构和土木工程等诸多领域。相对于传统的直线纤维铺层复合材料,曲线纤维铺层变刚度复合材料具有更大的设计空间,对其进行优化设计研究具有重要的学术意义和实际应用价值。本文利用有限元分析软件ANSYS对曲线纤维铺层的变刚度（Variable Stiffness,VS
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纤维增强复合材料具有高比强度、高比刚度、密度低和抗腐蚀性能好等特点,对于结构轻量化设计及结构性能的提升大有裨益,因此被广泛运用于航空航天,海洋结构和土木工程等诸多领域。相对于传统的直线纤维铺层复合材料,曲线纤维铺层变刚度复合材料具有更大的设计空间,对其进行优化设计研究具有重要的学术意义和实际应用价值。本文利用有限元分析软件ANSYS对曲线纤维铺层的变刚度（Variable Stiffness,VS）复合材料圆柱壳进行建模及优化设计,主要研究内容如下:（1）利用NURBS曲线和曲面,拟合复合材料圆柱壳VS铺层的纤维角度变化,构建同时考虑环向和轴向两个方向的曲线纤维路径的优化模型,以最大化屈曲载荷为目标,对VS铺层结构进行优化设计;（2）研究多个VS铺层对结构屈曲响应的影响,以及考虑强度约束下结构的最优屈曲响应。此外,为提高VS结构优化计算的效率,使用Kriging代理模型拟合结构响应,采用了一种混合更新方法,以提高代理模型的准确性和全局寻优能力。分析和计算结果表明,在纯弯矩工况下,NURBS曲面拟合整个壳面环向和轴向两个方向的VS的结果,与仅考虑环向VS的结果相近,但远优于常刚度（Constant Stiffness,CS）条件下的优化结果,承载能力提升了23.9%。当圆柱壳结构中间位置承受横向集中力作用时,相比单纯环向VS铺层,环向和轴向两个方向同时进行VS铺层设计,其性能提升了4.71%。另外,对于对称均衡结构,增加VS铺层数量,可以有效提升结构的屈曲承载能力,VS铺层在层合结构中的位置,也会对结构的承载能力产生影响。复合材料通过VS铺层设计,使得结构的刚度分布和内力分布更为合理,内力峰值下降,承载能力上升。
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