● 摘要
螺旋桨是临近空间飞行器的最常用推进形式，桨叶的工作特性决定了主要材料为具有强度高、密度小、耐腐蚀等优点的复合材料。为进一步降低螺旋桨结构的重量本文作了两方面工作。一方面针对受力分布差异较大的结构，设计了复合材料铺层分区域遗传优化算法。针对性设计基因编码和遗传算子，各铺层基因分别进行独立遗传优化。编写了基于经典层合板理论的层合板截面刚度矩阵子程序，结合有限元方法(FEM)实现对模型的力学分析计算，获取挠度、重量等作为目标函数参数，根据TsaiWu失效准则判断是否破坏作为限制条件。通过列举算例，证明铺层分级优化结果合理可信，承力效果较整体铺层优化结果更高效。另一方面编写RBF差值拟合程序，对螺旋桨承受的气动载荷进行了数值拟合加载，提高了对工作工况模拟的精确程度，使得优化后结果更加符合实际需要。本文建立了层合板和编织布渐进失效模型。对原有铺层形式的螺旋桨进行了静力学计算，并以此为依据按照限定质量下刚度最大的设计目标对铺层形式进行了优化设计。并对新桨进行了渐进失效分析与强度校核。另外，还对螺旋桨进行了固有模态和屈曲模态进行了分析。这些分析表明，新式铺层在大幅度降低质量的同时保留了足够的刚度，在极限工况下仍能够保证足够的安全系数不被破坏。