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摘要：纤维增强复合材料具有轻量化、高强度、可设计等特点,在航空航天、船舶、汽车等领域得到了广泛的应用。随着复合材料需求量的快速增长,其材料可设计性带来的设计成本高等问题逐渐突显,制约了其进一步发展,针对该问题,本文以复合材料层合板为对象,研究了复合材料产品多尺度几何建模技术,提出了基于自顶向下设计理论的结构材料一体化复合材料产品设计系统,将设计过程分为概念设计、几何设计与工程设计,并将该研究成果应用于所开发的软件系统中。本文以产品的特征化建模为基础,研究了复合材料产品概念设计与建模方法。根据产品的结构特点与材料属性,建立基于特征信息的产品结构点阵,在点阵分区的基础上建立基于材料属性的纤维束微观模型,最终得到集成特征点阵与材料模型的产品概念模型。该模型实现了设计信息的数字化,完成了结构信息与材料信息的耦合,体现了复合材料产品设计过程的多尺度性。以上述概念模型为基础,研究了基于NURBS曲面的复合材料产品几何建模技术。建立基于特征点阵的NURBS曲面产品结构几何模型。针对复合材料产品的多尺度特性,建立基于NURBS曲面分割与拟合的产品分区多层材料几何模型,并进一步实现阶梯层交界区域的过渡曲面拟合建模。几何设计最终得到以曲面为基本单元的结构与材料一体化模型,该模型继承了概念设计信息,以宏-细观多尺度的方式表达了产品的结构与材料信息。在上述几何模型的基础上,研究了基于结构网格的复合材料产品工程建模技术。针对有限元网格,设计了基于NURBS曲面等参线的密度可控结构网格建模算法。针对复合材料层合板的工程缺陷,分别设计了基于随机分布和概率谱分布的单层缺陷位置分布模型,进一步建立了随机椭球结构的气泡缺陷微观单胞模型,与缺陷位置分布模型互为映射。工程设计最终得到定义了缺陷信息的产品结构网格模型,该模型与有限元网格相匹配,完成了宏观网格与微细观缺陷的多尺度化定义,为工程分析及试验提供了模型支撑。基于本文的研究成果,开发了复合材料产品几何建模系统。完成了基于Open Inventor渲染核心的原型系统研发,实现了复合材料产品概念设计、几何设计和工程设计逐层递进的工作流程以及宏观、细观和微观多尺度化的结构材料同步设计,并以机翼蒙皮和J形筋为例验证了系统的可行性。 还原

关键词：复合材料; 层合板; 多尺度; 几何建模; NURBS曲面;

基金：国家自然科学；

导师：金天国;