空间可展结构复合材料薄壁圆管铰链多目标优化研究

张赢杰, 孙蓓蓓, 王智磊, 赵枝凯, 陈 夜

(1.东南大学 机械工程学院，南京 211189；2.上海卫星工程研究所，上海 201109)

复合材料薄壁圆管铰链可以利用折叠时积聚的弹性应变能在空间自行展开并锁定，大大降低了传统铰链结构的复杂度，具有质量轻、体积小、刚度高的特点，如图1所示。由于其展开过程中不存在转动间隙和摩擦，定位精度高，可以广泛应用于太阳能帆板、孔径雷达、天线反射面等空间可展开结构中。

图1 复合材料薄壁圆管铰链

目前，国内外学者对复合材料薄壁圆管铰链的研究主要集中于其折叠和展开过程中的力学特性仿真分析[1-6]。Mobrem等对双缝薄壁圆管铰链的展开过程中角度和弯矩的关系进行研究并对单节铰链动态展开过程进行仿真和实验。Soykasap对三缝薄壁圆管铰链的准静态折叠中角度和弯矩的关系以及动态展开过程进行仿真和实验研究。Mallikarachchi等对双缝薄壁圆管铰链的准静态展开与折叠过程的仿真方法进行研究，并通过实验验证角度与弯矩的关系。Yang等以提高铰链弯矩，降低铰链质量为目标，对铰链的开槽长度和宽度进行优化设计。然而，除了铰链的开槽尺寸外，复合材料薄壁圆管铰链的其它结构参数对其力学性能也有重要影响，但这方面的研究还不多。另外，现有的研究大多考虑铰链的弯曲特性，而复合材料薄壁圆管铰链作为空间展开机构的支撑部件，除了受弯曲载荷，由于阵面弹簧的拉力，其还会受到扭转载荷作用， 因此有必要提高其扭转力学性能。……