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由于树脂基碳纤维增强复合材料具有高比刚度/强度、优异的损伤容限以及良好的自回弹特性，采用其制备的薄壁管状结构（如铰链、伸展臂和柔性肋等），经过定制化设计后被广泛应用于空间可展开结构，例如直臂天线（MARSIS、JUICE）、太阳帆桅杆（豆荚杆、人形杆或C形杆）、电池板（ROSA）以及缠绕肋天线（OSS）等。在发射前，此类结构被收拢至较小体积以便运输至指定位置，随后通过自身存储的应变能驱动结构展开。可展开复合材料薄壁管状结构（Deployable Composite Thin-Walled Tubular Structures, DCTWTS）的材料属性和功能机制，对于实现空间结构的大型化、轻量化和部署简化，具有重要意义。 西安交通大学周进雄教授与四川大学安宁副研究员联合团队，主要围绕铰链、豆荚杆和柔性肋等经典DCTWTS结构的关键力学问题，系统地开展了建模、制备、实验及结构优化设计研究。近五年内，相关研究成果相继发表于Thin-Walled Structures、Composite Structures、International Journal of Solids and Structures、International Journal of Mechanical Sciences、Acta Astronautica、Chinese Journal of Aeronautics、AIAA Journal、Materials & Design及Advances in Engineering Software等固体力学、复合材料及航空航天领域的国际知名期刊，为全面提升DCTWTS服役能力提供了重要的理论支撑与技术支持。 可展开复合材料薄壁管状结构（DCTWTS）通常在保持折叠状态数月或数年后才进行在轨自展开部署。由于聚合物基体固有的粘弹性效应，结构长期储存后会发生显著的模量松弛现象，直接影响其展开性能。针对这一问题，该团队基于代表性体积单元的均匀化理论，提出了一种从微观到宏观的双尺度有限元建模策略，并在ABAQUS/CAE中开发了自动执行该策略的计算插件，能够高效计算不同时间和温度条件下单向碳纤维增强复合材料层合板的等效正交各向异性粘弹性属性。该研究成果发表于Materials & Design。 原文链接：https:///10.1016/j.matdes.2022.110754  图1 单向碳纤维增强复合材料粘弹性等效属性计算插件 此外，该团队进一步建立了复合材料的粘弹-粘塑性唯象本构模型，通过开发ABAQUS用户子程序（UMAT），实现了DCTWTS在折叠、储存、展开及恢复中时间相关力学行为的全面描述，除了应力松弛效应外，还首次捕捉到了形状恢复过程及永久残余变形。该工作发表于International Journal of Solids and Structures。 原文链接：https:///10.1016/j.ijsolstr.2024.113154  图2 复合材料可展开结构服役期间典型时间相关力学行为 与单向增强复合材料相比，编织复合材料具有更高的比刚度/强度、损伤容限以及更广阔的设计空间，因此越来越多地被应用于DCTWTS结构（当前占比已超过60%）。ABD矩阵是表征编织复合材料层合板等效刚度特性的基本概念，但由于编织复合材料的细观结构高度异质化，经典层合板理论在准确预测ABD矩阵方面存在一定局限性。针对这一问题，该团队构建了多尺度有限元分析框架，并开发了ABAQUS计算插件，实现了不同类型及不同铺层编织复合材料层合板ABD矩阵的高效预测。相关研究成果发表于Composite Structures。 原文链接：https:///10.1016/j.compstruct.2024.118031  图3 编织复合材料层合板ABD矩阵计算插件 切口设计对复合材料薄壁铰链的折叠、展开以及展开后的抗变形与稳定性至关重要。该团队首先建立了基于数据驱动代理模型技术的结构参数加速优化平台，分别针对圆管铰链的准静态折展与动力学展开过程中的关键力学性能，开展了切口形状优化与尺寸多目标优化。一方面，在满足结构安全约束的前提下，实现了铰链存储应变能及准静态展开力矩的最大化；另一方面，在满足质量约束条件下，实现了动力学展开过冲与展开速度的兼顾。此外，该团队进一步基于双向渐进结构优化理论（BESO），提出了面向DCTWTS切口设计的拓扑优化方法，摆脱了传统尺寸或形状优化方法对初始设计的过度依赖，实现了切口位置、数量、形状及尺寸的同步优化，进一步拓展了优化设计空间。上述相关研究成果分别发表于Thin-Walled Structures、Composite Structures和Chinese Journal of Aeronautics。 原文链接： https:///10.1016/j.tws.2024.111738 https:///10.2514/1.J061668 https:///10.1016/j.cja.2025.103530  图4 可展开复合材料薄壁圆管铰链切口尺寸、形状及拓扑优化 该团队建立了豆荚杆的准静态及动态展开力学分析模型，并搭建了具有重力平衡条件的实验平台，以验证模型的正确性。基于此，准确捕捉了不同存储时间和温度环境下豆荚杆的展开运动轨迹，揭示了粘弹性效应对豆荚杆动力学行为的影响规律。此外，针对现有方法预测DCTWTS临界屈曲载荷存在较大偏差的问题，该团队提出了一套非线性有限元分析方法，可准确计算豆荚杆的临界屈曲载荷，并有效模拟其屈曲后的坍塌行为。上述研究成果发表于Acta Astronautica、Chinese Journal of Aeronautics、International Journal of Mechanical Sciences及Composite Structures。 原文链接： https:///10.1016/j.actaastro.2023.09.034 https:///10.1016/j.cja.2023.05.011 https:///10.1016/j.compstruct.2022.115364 https:///10.1016/j.ijmecsci.2021.106661）  图5 复合材料豆荚杆折叠、展开及稳定性分析力学模型 该团队基于非线性有限元理论，开发了一套适用于肋-索-膜（网）结构的找形迭代方法，经基准算例验证，该方法可成功应用于伞状网面反射面天线的找形与形面精度分析。团队进一步设计并研制了小口径缠绕肋天线原理样机，构建了动力学展开数值仿真模型。在此基础上，准确捕捉了缠绕肋天线的自展开过程，揭示了肋-网-索系统的动力学行为规律，为缠绕肋天线的结构设计提供了理论依据。上述研究成果发表于Advances in Engineering Software。 原文链接： https:///10.1016/j.advengsoft.2024.103789  图6 伞形天线找形方法及缠绕肋天线展开动力学分析模型 作者简介 周进雄，西安交通大学教授、博士生导师，哈佛大学访问学者，入选教育部新世纪优秀人才支持计划，入选爱思唯尔（Elsevier）公布的2023、2024年度全球前2%科学家榜单。主持国家自然科学基金项目5项，主持国防创新特区项目及企业横向课题20余项，在国内外期刊发表论文200余篇，SCI他引近9000次。主要研究方向：空间可展开结构设计与优化，基于人工智能的新型计算方法及其工程应用，流致振动与核反应堆结构力学。 安宁，四川大学副研究员、硕士生导师，西交-哈佛联培博士。主要研究方向包括可展开结构、力学超材料、软体机器人等。主持国家自然科学基金委“中欧人才项目”、青年科学基金等，在Adv. Funct. Mater., Mater. Des., AIAA J, IJSS等复合材料力学或航空宇航类权威期刊发表SCI论文30余篇，谷歌被引1400余次。 贾启龙，研究员，博士研究生导师。曾获评上海市青年科技启明星，上海市嘉定区高层次人才，并荣获全国工人先锋号，上海市模范集体等集体荣誉称号。参与多项我国航天型号工程任务，长期从事卫星平台和卫星载荷设计工作。曾任职于中国空间技术研究院，后创立商业航天企业“鉴创科技”，主要从事卫星通信及导航载荷研制，现已为包括我国低轨互联网星座“星网工程”，量子卫星星座，地月空间DRO卫星星座等诸多国家型号任务提供了百余套卫星载荷。 金浩，杭州电子科技大学讲师、硕士研究生导师，研究方向：功能复合材料结构多尺度建模与优化设计方法。 郭瑞文，西安交通大学博士研究生，研究方向：缠绕肋天线收拢/展开行为与结构优化设计方法，毕业去向：中国空间技术研究院西安分院。 岳孝纬，西安交通大学博士研究生，主持中央高校基本科研业务费1项，研究方向：高应变复合材料粘弹-粘塑性本构模型。 祝世燃：四川大学硕士研究生，研究方向：空间可展开结构及计算力学软件开发。 投稿作者：金浩 |
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