● 摘要
碳纤维复合材料是航空航天领域内最为重要的结构材料之一，其在国防武器装备、大型客机、导弹、运载火箭和人造卫星上的应用呈现出不断上升的趋势，并且其应用部位逐渐从次承力结构向主承力结构发展。飞行器飞行过程中，其复合材料结构将经历多种温度环境，不同的温度将使得复合材料结构的形状尺寸等发生改变，而飞行器上某些重要部位对其外形、尺寸等的稳定性要求很高。当前复合材料的力学性能得以较为深入的研究，但其热学性能以及综合考虑热-力耦合的优化设计有待进一步的深入探索。本文将对某卫星合成孔径雷达天线支撑结构的各根复合材料管件进行定热膨胀性能的优化设计，并同时考虑管件的刚度性能，以使得该支撑结构具有高度的尺寸稳定性以及具有较高的固有频率。基于本文建立的优化模型与优化算法，开发了人机交互友好的优化设计的软件平台，为工程的应用提供了理论方法和工具。
总体来说，本文研究工作可归纳如下：
1、发展了纤维与孔隙随机分布算法，建立了“拟真实”的单向复合材料代表性体积单元模型。基于本文提出的模型，并结合内聚力单元以及组分材料的失效准则，对复合材料的刚度与强度进行了预报。考虑到温度环境对复合材料力学性能的影响，本文针对复合材料结构工作的三种不同的温度环境（低温、室温、高温），并在此三种温度环境下对M40/TDE85复合材料的力学性能进行了理论分析与试验测试，研究了温度对其力学性能的影响。
2、系统全面的分析了单向复合材料的热学性能，包括复合材料的比热容、热传导率、热膨胀系数等。基于纳普(Knappe)理论模型并结合均匀化理论分析了复合材料的热导率；而对于复合材料的比热则采用加权平均法进行了预测；建立了基于三维同心圆柱模型的热-力学分析方法，并以此对单向复合材料纵向与横向的热膨胀性能进行了分析；同时也采用随机方法生成代表性体积单元分析其热膨胀性能。并对理论分析模型以及基于有限元的代表性体积单元法进行了验证；并运用本文中的方法对M40/TDE85复合材料在三种温度环境下的热膨胀性能进行预测，同时也进行了相关的试验验证。
3、基于热-力共同作用下的复合材料本构关系，对复合材料板件与管件的热膨胀性能进行了理论分析。并建立了能综合考虑复合材料管件各设计因素的有限元模型以对其热膨胀性能进行数值计算。基于此有限元模型，对管件的各设计要素进行了分析，包括管件的铺层厚度、铺层角度、铺层顺序、复合材料增强体与基体种类等。通过对各设计要素的分析，可以为管件的设计提供指导作用。针对特定铺层的复合材料管件与板件，对其热膨胀性能进行了测试，测试结果与理论分析结果以及有限元分析结果之间具有很好的一致性。验证了复合材料板件与管件热膨胀预测模型的正确性与准确性，也为后续的优化设计提供了分析基础。
4、分别建立了复合材料管件与板件的热膨胀性能优化模型，并综合考虑管件的轴向刚度与横向热膨胀性能；采用具有二阶收敛特性的共轭梯度法对复合材料构件的铺层进行优化设计。针对某卫星天线复合材料支撑结构的各管件进行了定热膨胀性能分析，并要求其轴向刚度不小于150GPa；将优化后的各管件组装成天线的支撑结构，并在此结构上安装蜂窝夹芯的天线基板以形成天线整体结构；对复合材料支撑结构以及天线整体进行分析，分析结果发现该支撑结构以及天线整体结构都具有很高的热尺寸稳定性，可完美的满足工程使用要求。
本文通过对复合材料结构进行了由组分性能到单板性能的微观热学、力学分析；并基于此，进一步建立了复合材料层合板与管件宏观热膨胀性能的计算模型与分析方法；最后针对不同形式的复合材料构件建立了相应的优化模型，编写了优化设计平台，并对某卫星天线支撑结构进行了优化设计。