IOE OpenIR  > 光电技术研究所博硕士论文
轻型、小型吊舱结构技术研究
江川
Subtype硕士
Thesis Advisor刘儒贞
2016-05
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Keyword轻型小型、主框架、多目标拓扑优化、碳纤维、复合材料优化
Abstract
随着吊舱应用的不断深入,吊舱平台的性能也在不断的提高。从结构上来
讲,轻型化小型化是吊舱发展的一个重要趋势,因此对吊舱结构这方面的研究
是十分必要的。众所周知,吊舱工作在振动、迎风的复杂环境中,对结构刚度、
动态性能的要求是苛刻的。因此如何在保证吊舱动、静力学特性的情况下,实
现结构的轻小型成为难题。本文针对此难题,提供了对吊舱结构进行小型、轻
型化设计的方法。
首先介绍了吊舱轻小型研究的相关背景,阐述了本文的目的及意义、国内
外吊舱的研究现状以及目前的轻量化技术发展状况。
然后,分析了目前吊舱平台的主要框架形式,并选择二轴二框架结构作为
小型化设计的结构形式;分析了吊舱的一般气动外形,并选择柱状外形;分析
了吊舱结构的布局和主要构成,建立了吊舱的三维模型;分析了吊舱的工况,
计算了吊舱在特定条件下的受力情况;建立了吊舱的有限元模型,得到了静力
学、模态分析结果,提出了吊舱主框架、蒙皮结构作为轻量化设计的基础并对
二者进行了静力和模态分析。
研究了能够实现轻量化设计的拓扑结构优化方法;通过介绍刚度优化函数、
频率优化函数,建立了多目标拓扑优化函数,并对三个函数各自的主框架拓扑
优化结果进行了分析对比,表明了多目标拓扑优化的有效性;基于主框架的拓
扑优化结果,建立了新的三维主框架模型,质量从6Kg 下降到4.94Kg,验证了
基于拓扑优化的轻量化设计的可行性和多目标函数的正确性;基于多工况刚度
拓扑优化函数,对蒙皮进行了拓扑优化,在保证其静态和动态特性的同时,使
其质量从1.8Kg 下降到0.88Kg,轻量化率达到51.38%。
接着介绍了基于轻质材料的轻量化设计。对于主框架选择了T700 碳纤维单
向布作为设计材料,介绍了碳纤维复合材料基本组成;研究了复合材料的力学
理论,并通过理论分析,得到铺层设计的建模方式;基于拓扑结构优化的分析
结果,对主框架模型抽壳,建立了基于铺层设计的碳纤维有限元模型;并对主
框架模型进行静力模态分析,结果表明此结构初步符合设计要求。对于蒙皮,
选用尼龙作为轻质材料,通过有限元分析,表明以尼龙为材料的蒙皮结构是满
足动静特性的,最后借助3D 打印技术成功打印了蒙皮结构,使质量从1.81Kg
下降到0.38Kg,轻量化率达到79%,并成功运用到某吊舱平台。
研究了复合材料优化设计的一般方法;通过尺寸优化、自由尺寸优化、铺层次序优化,实现了主框架结构的轻量化设计;最终主框架在满足刚度和谐振
特性的情况下,质量从最初的6Kg 下降到3.735Kg,轻量化率达37.35%,达到
了轻量化设计的目的。
Subject Area机械制造及自动化
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/8004
Collection光电技术研究所博硕士论文
Affiliation中科院光电技术研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
江川. 轻型、小型吊舱结构技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2016.
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