飞行器复合材料结构非概率可靠性优化设计

本书重点论述了贫信息、少数据情况下复合材料结构不确定性分析与可靠性优化的非概率集合理论及其在航空航天飞行器设计领域中的应用。全书共分为三篇。第一篇以飞行器复合材料层合结构强度综合可靠性分析与优化设计的基本理论为核心，建立了常温/高温环境、静疲劳强度条件下的复合材料层合结构可信可靠度评价准则，形成了面向多约束凝聚的非概率优化方法。第二篇面向飞行器复合材料层合结构多学科耦合可靠性优化设计的精细化需求，重点探究了飞行器气动结构热气弹学科交互的双序贯寻优策略与高效协同求解算法，构建了计及气动外形优化与复合材料结构铺层优化并发交互的设计方案。第三篇结合新型智能复合材料结构不确定性优化设计的未来趋势，提出了面向跨尺度、异材质、多功能集成的非概率可靠性拓扑优化方法，为优选飞行器系统材料工艺设计集成一体的智能化发展提供必要的理论基础。本书可作为航空航天、力学、机械工程、可靠性等专业的本科高年级学生及研究生的教材，也可作为相近专业工程技术人员设计施工的参考书。

序
前言
第一篇 飞行器复合材料层合结构强度综合可靠性分析与优化设计
第1章 复合材料力学性能 3
1.1 引言 3
1.2 复合材料力学基本理论 5
1.2.1 单层板本构关系 5
1.2.2 经典层合板理论 6
1.2.3 单层板强度准则 6
1.3 复合材料结构力热耦合分析 7
1.3.1 热环境下材料性能退化模型 7
1.3.2 力热耦合本构关系 9
1.4 热环境下静载失效准则和性能退化规律 9
1.4.1 静载作用下的强度失效准则 10
1.4.2 静力失效的材料性能退化规律 12
1.5 力热耦合疲劳失效准则和性能退化规律 12
1.5.1 疲劳载荷作用下的强度失效准则 12
1.5.2 疲劳载荷作用下的材料性能退化规律 14
1.6 本章小结 16
参考文献 17
第2章 复合材料结构不确定性参数非概率定量化与可靠性分析 18
2.1 引言 18
2.2 复合材料非概率可信集合定量化方法 19
2.2.1 独立参数可信区间量化 19
2.2.2 相关参数可信区间量化 22
2.2.3 非概率贝叶斯量化更新方法 26
2.3 结构可信可靠性的非概率集合理论 28
2.3.1 不确定性传播分析 28
2.3.2 非概率可信可靠性分析 33
2.4 结构不确定性参数的重要性测度 37
2.4.1 多学科体系的可靠性重要性测度问题描述 37
2.4.2 基于贝叶斯定理的非概率重要性测度分析方法 39
2.5 数值算例 39
2.6 本章小结 46
参考文献 46
第3章 力热耦合环境下复合材料层合结构静强度可靠性优化设计 49
3.1 引言 49
3.2 问题描述 51
3.3 复合材料层合结构系统级可靠性分析 52
3.3.1 元件级可靠性分析 52
3.3.2 主要失效路径搜索 54
3.3.3 主要失效路径失效可能性指标 56
3.3.4 系统失效可能度求解 59
3.4 结构系统可靠性优化设计方法 59
3.4.1 传统安全系数设计方法 59
3.4.2 基于可靠性的优化设计方法 60
3.5 两种优化设计方法的比较 61
3.5.1 优化过程对比 61
3.5.2 优化原理对比 63
3.6 数值算例 64
3.6.1 复合材料层合板结构 64
3.6.2 复合材料加筋板结构 66
3.7 本章小结 76
参考文献 76
第4章 力热耦合环境下复合材料层合结构静强度/疲劳/损伤容限可靠性综合优化设计 78
4.1 引言 78
4.2 问题描述 79
4.3 现有的结构综合设计思想 80
4.3.1 力-热综合设计的湿热放大系数法 80
4.3.2 静力-疲劳综合设计的静强度覆盖疲劳方法 81
4.4 静力/疲劳/损伤容限强度综合设计思想 85
4.4.1 结构设计的损伤容限要求 85
4.4.2 结构疲劳可靠性分析方法 87
4.4.3 强度综合设计 87
4.5 算例验证 91
4.5.1 复合材料带孔板结构 91
4.5.2 复合材料机翼结构 93
4.6 本章小结 97
参考文献 98
第二篇 飞行器复合材料层合结构多学科耦合可靠性优化设计
第5章 复合材料结构静强度与气动弹性可靠性综合优化设计的双序贯方法 101
5.1 引言 101
5.2 复合材料结构气动弹性分析方法 103
5.2.1 气动弹性理论 104
5.2.2 NASTRAN颤振计算 105
5.3 复合材料机翼结构气动弹性与静强度综合优化 105
5.3.1 基于序贯优化思想的气动弹性与静强度综合优化的一般策略 105
5.3.2 基于序贯优化思想的复合材料结构气动弹性与静强度确定性综合优化设计 108
5.3.3 考虑不确定性因素影响的复合材料结构气动弹性与静强度综合优化策略 110
5.4 数值算例 112
5.4.1 基于序贯优化思想的复合材料机翼气动弹性与静强度综合优化 112
5.4.2 基于序贯优化思想的复合材料机翼气动弹性与静强度可靠性综合优化设计 116
5.5 本章小结 118
参考文献 118
第6章 力热耦合环境下复合材料层合结构系统多学科可靠性优化设计 120
6.1 引言 120
6.2 力热耦合环境下多学科耦合分析 121
6.2.1 多物理场耦合关系描述 121
6.2.2 复合材料结构力热耦合分析流程 124
6.2.3 热环境下机翼结构颤振分析 125
6.3 力热耦合下多学科约束序贯优化方法 126
6.3.1 力热耦合下机翼多学科约束优化问题描述 126
6.3.2 序贯优化策略 127
6.3.3 复合材料力热耦合下多学科多约束序贯优化策略 128
6.4 算例验证 132
6.5 本章小结 136
参考文献 136
第7章 复合材料机翼气动外形与结构铺层综合可靠性优化设计 138
7.1 引言 138
7.2 理想巡航外形优化 140
7.2.1 气动外形参数化方法 140
7.2.2 理想巡航外形优化模型 146
7.3 型架外形优化 147
7.3.1 基于径向基函数的耦合界面数据传递方法 147
7.3.2 静气动弹性计算 150
7.3.3 型架外形优化模型 153
7.4 复合材料机翼结构可靠性优化 154
7.4.1 复合材料机翼结构优化模型 155
7.4.2 结构优化算法 155
7.4.3 复合材料机翼结构可靠性优化模型 156
7.5 气动/结构综合可靠性优化设计 156
7.6 算例验证 157
7.7 本章小结 162
参考文献 162
第三篇 新型智能复合材料结构可靠性优化设计
第8章 多材料结构可靠性拓扑优化设计 167
8.1 引言 167
8.2 区间/凸集不确定性量化模型的数学描述 169
8.2.1 区间模型 169
8.2.2 凸模型 169
8.3 拓扑结构更新过程特征点位移边界的响应预计 170
8.3.1 区间参数顶点法 171
8.3.2 凸集合规划理论 171
8.3.3 有关区间模型和凸模型的几点讨论 172
8.4 多材料结构非概率可靠性拓扑优化 173
8.4.1 优化列式及建模逻辑 174
8.4.2 非概率可靠度指标的定义及求解 175
8.5 NRBTO设计模型求解的核心计算技术 176
8.5.1 可靠度设计敏度求解 177
8.5.2 灵敏度过滤技术 178
8.6 数值算例 180
8.6.1 双材料航空枕梁结构优化 180
8.6.2 三材料航空壁板结构优化 183
8.7 本章小结 185
参考文献 185
第9章 面向3D打印的材料/结构并发优化方法 188
9.1 引言 188
9.2 跨尺度结构设计问题的基本描述 189
9.2.1 异构类桁架微单元结构的刚度性能等效 190
9.2.2 双层级结构的非概率可靠性拓扑优化架构 193
9.3 基于区间数学的跨尺度结构非概率可靠性评估 195
9.4 基于特征优化距离的设计敏度计算 199
9.5 数值算例 203
9.5.1 悬臂板结构的跨尺度设计 203
9.5.2 航空舱门接头结构的跨尺度设计 207
9.6 本章小结 209
参考文献 210
第10章 考虑承载防热多功能一体化的复合材料结构可靠性拓扑优化设计 212
10.1 引言 212
10.2 碳纤维复合材料层合板热导率计算模型 214
10.2.1 单向板热导率计算 214
10.2.2 典型铺层层合板热导率计算 215
10.3 复合材料层合板力学性能等效 218
10.3.1 等效热膨胀系数计算 218
10.3.2 热应力计算 219
10.4 复合材料层合板拓扑优化 221
10.4.1 不考虑温度效应的复合材料层合板拓扑优化 221
10.4.2 力热耦合环境下复合材料层合板拓扑优化 222
10.5 复合材料层合结构可靠性拓扑优化 223
10.5.1 非概率可靠性拓扑优化指标 223
10.5.2 非概率可靠性指标的灵敏度求解 224
10.6 数值算例 226
10.6.1 矩形板单材料力热耦合拓扑优化 226
10.6.2 复合材料翼肋结构力热耦合拓扑优化 228
10.7 本章小结 229
参考文献 230
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