Выбор и оптимизация силовых элементов в структурно-оптимизированных конструкциях из полимерных композиционных материалов

Современное развитие авиационных и аэрокосмических конструкций направлено на повышение весовой и структурной эффективности при одновременном обеспечении требований по прочности, устойчивости, аэроупругости и технологичности. В последние десятилетия активно исследуются конструкции с криволинейными силовыми элементами, направленной ориентацией волокон в слоях композиционного материала, а также биоподобные структуры, которые существенно превосходят традиционные прямолинейные схемы по характеристикам. Выполнено сравнение структурно-оптимизированных конструкций с традиционными схемами усилений. В качестве объекта исследования выступала форма (вид в плане) ребер квадратной пластины из полимерных композиционных материалов. Рассмотрены три типа элементов подкрепления: прямолинейные, одинарной (C-образные) и двойной (S-образные) кривизны. Варианты элементов подкрепления оценивали по результатам исследования напряженно-деформированного состояния, устойчивости и массе конструкции. Выявлено преимущество ребер одинарной и двойной кривизны перед прямолинейными. Полученные данные являются частью комплексных исследований перспективных структурно-оптимизированных конструкций из полимерных композиционных материалов.
EDN: CXSDZE, https://elibrary/cxsdze

Литература

[1] Reznik S.V., Apiev S.E. Composite air vehicle tail fins thermal and stress-strain state modeling. AIP Conf. Proc., 2021, vol. 2318, art. 020012, doi: https://doi.org/10.1063/5.0036561

[2] Zhou Q., Yang Y., Yu L. et al. Aeroelastic optimization design of SpaRibs wing structure. Proc. SPIE, 2023, art. 12639, doi: https://doi.org/10.1117/12.2681990

[3] Zhang K., Hao P., Duan Y. et al. Layout optimization design of hierarchical curvilinearly stiffened panels based on deep learning. Chinese Journal of Ship Research, 2021, vol. 16, no. 4, pp. 86–95, doi: http://dx.doi.org/10.19693/j.issn.1673-3185.02188

[4] Hao P., Zhang K., Liu D. et al. Intelligent design and buckling experiment of curvilinearly stiffened thin-walled structures. Int. J. Solids Struct., 2024, vol. 293, art. 112737, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2024.112737

[5] Alhajahmad A., Mittelstedt C. Buckling capacity of composite panels with cutouts using continuous curvilinear fibres and stiffeners based on streamlines. Compos. Struct., 2022, vol. 281, art. 114974, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114974

[6] Hao P., Liu D., Zhang K. et al. Intelligent layout design of curvilinearly stiffened panels via deep learning-based method. Mater. Des., 2021, vol. 197, art. 109180, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109180

[7] Zhang K., Liu D., Wang Q. et al. Multi-level intelligent design of variable angle tow laminates via image-driven method. Compos. Struct., 2023, vol. 303, art. 116354, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116354

[8] Fiordilino G.A., Izzi M.I., Montemurro M. A general isogeometric polar approach for the optimisation of variable stiffness composites: application to eigenvalue buckling problems. Mech. Mater., 2021, vol. 153, art. 103574, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2020.103574

[9] Alhajahmad A., Mittelstedt C. Buckling performance of curvilinearly grid-stiffened tow-placed composite panels considering manufacturing constraints. Compos. Struct., 2021, vol. 260, art. 113271, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113271

[10] Исрафилова А.И., Кутрунов В., Гарсия М. и др. Изо-геометрический метод расчета как альтернатива стандартному методу конечных элементов. Строительство уникальных зданий и сооружений, 2019, № 9, c. 7–21, doi: https://doi.org/10.18720/CUBS.84.1

[11] Alhajahmad A., Mittelstedt C. Minimum weight design of curvilinearly grid-stiffened variable-stiffness composite fuselage panels considering buckling and manufacturing constraints. Thin-Walled Struct., 2021, vol. 161, art. 107526, doi: https://doi.org/10.1016/j.tws.2021.107526

[12] Liguori F.S., Zucco G., Madeo A. et al. An isogeometric framework for the optimal design of variable stiffness shells undergoing large deformations. Int. J. Solids Struct., 2021, vol. 210-211, pp. 18–34, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2020.11.003

[13] Qin X.C., Dong C.Y. NURBS-based isogeometric shape and material optimization of curvilinearly stiffened plates with FGMs. Thin-Walled Struct., 2021, vol. 162, art. 107601, doi: https://doi.org/10.1016/j.tws.2021.107601

[14] Sultana J., Varga G. Finite element analysis of post-buckling failure in stiffened panels: a comparative approach. Machines, 2025, vol. 13, no. 5, art. 373, doi: https://doi.org/10.3390/machines13050373

[15] Vescovini R., Foligno P.P. Fast analysis of curvilinearly stiffened panels operating in the postbuckling field. Mech. Adv. Mat. Struct., 2023, vol. 30, no. 5, art. 1009–1030, doi: https://doi.org/10.1080/15376494.2022.2135146

[16] Alhajahmad A., Mittelstedt C. A single-domain Ritz approach for buckling analysis of curvilinearly grid-stiffened composite panels. Int. J. Solids Struct., 2025, vol. 322, art. 113619, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2025.113619

[17] Agarwal M., Zhao W., Kapania R.K. Jacobi-Ritz method for buckling of unitized curvilinearly stiffened functionally graded plates. AIAA J., 2025, vol. 63, no. 9, doi: https://doi.org/10.2514/1.J064977

[18] Foligno P.P., Yan C.A., Vescovini R. The asymptotic-numerical method for the post-buckling response of curvilinearly stiffened panels. Aeronaut. J., 2024, vol. 128, no. 1330, pp. 2879–2905, doi: https://doi.org/10.1017/aer.2024.94

[19] Bostan B., Kusbeci M., Cetin M. et al. Buckling performance of fuselage panels reinforced with Voronoi-type stiffeners. Int. J. Mech. Sci., 2023, vol. 240, art. 107923, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.107923

[20] Wang Y., Wei X., Li Z. et al. Fabrication and buckling resistance behaviors of curved-wall CFRP honeycomb sandwich structure under out-of-plane compression. J. Sandw. Struct. Mater., 2024, vol. 26, no. 6, pp. 906–925, doi: https://doi.org/10.1177/10996362241257057

[21] Wu Z., Liu P., Guo D. et al. Design of curved-ligament honeycomb sandwich structures for optimal thermal buckling strength. Int. J. Solids Struct., 2026, vol. 326, art. 113733, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2025.113733

[22] Корольский В.В., Гавва Л.М. Спектр оптимальных толщин слоев, шага стрингеров и схем укладки пакетов при размерно-весовом проектировании композитных панелей несущих поверхностей летательных аппаратов с ограничениями по уточненной теории устойчивости. Конструкции из композиционных материалов, 2025, № 2, c. 17–26, doi: https://doi.org/10.52190/2073-2562_2025_2_17

[23] Митрофанов О.В., Торопылина Е.Ю. Прочность сжатых композитных цилиндрических панелей малой кривизны при геометрически нелинейном поведении. Вестник МАИ, 2025, т. 32, № 2, с. 86–96.

[24] Митрофанов О.В. Оценка весовой эффективности подкрепленных композитных панелей с переменными углами армирования обшивки при проектировании с учетом ограничений по устойчивости при сжатии. Естественные и технические науки, 2025, № 10, c. 192–195, doi: https://doi.org/10.25633/ETN.2025.10.20

[25] Балунов К.А., Соляев Ю.О., Голубкин К.С. Применение метода топологической оптимизации для синтеза конструктивно-силовой схемы в зоне излома крыла большого удлинения. Труды МАИ, 2023, № 129, doi: https://doi.org/10.34759/trd-2023-129-04