可折叠并自展开的柔性复合材料薄壁结构的优化设计与实验验证

This project seeks to investigate advanced thin-walled flexible composite structures(FCS) with elastic shape memory function that can be used in aerospace field. (1) Based on engineering mechanics methods, macroscopic and microscopic mechanical models are proposed to predict the FCS’s behaviour affated by materials in the status of design, manufacture and service. Quantitative relationships between macro-mechanical properties and material properties and macro-micro geometric charateristics are established. The mechanical properties of folding/depolying deformation process, thermal deformation and residual thermal stress in manufacturing process, and thermal strength of service state in the space environment are evaluated. (2) On above basis and computer-aided design technology, comprehensive optimization design is carried out in the microscopic and macroscopic levels respectively to obtain the optimized selection and matching of component materials, Macro-micro structural characteristics and dimensions, and manufacturing process parameters and procedures etc. (3) According to the results of optimization, the FCS specimens are manufactured and the experiments are conducted to validate the above mechanical models and optimized results.

本项目以具有弹性形状记忆功能的可折叠并自展开柔性复合材料薄壁结构为研究对象，(1)运用工程力学方法，提出其设计、制造和服役状态下材料作用过程的宏/细观力学分析模型，建立多宏观力学性能与其组分材料性能和宏/细观结构特征之间的定量关系，评估其折叠/展开大变形过程的力学性能、加工制造过程中的热变形与残余热应力以及在空间环境服役状态下的热强度；（2）在此基础上，利用计算机辅助设计技术，对结构分别从细观和宏观层面进行综合优化设计，获得优化的组分材料的选择与匹配、宏/细观结构特征与尺寸参数、加工制造工艺参数与流程等；（3）根据优化结果，制备可折叠并自展开的柔性复合材料薄壁结构典型件，并进行力学性能测试，验证上述模型及优化结果的有效性和合理性。

具有结构-功能一体化特点的可折叠并自展开柔性复合材料薄壁结构，可利用其折叠过程自身储存的应变能实现弹性展开。可折叠并自展开柔性复合材料薄壁结构与常规结构不同，需要具备大变形功能，这是由于受运载工具(如火箭、航天飞机等)的空间限制。可折叠并自展开的柔性复合材料薄壁结构无论在设计、制备及验证技术上均存在重要科学问题需要攻克。因此，本项目重点研究可折叠并自展开的柔性复合材料薄壁结构的宏/细模型、制备工艺与试验验证以及优化分析与设计等方面，取得进展如下：1）根据组分材料性能和细观结构特征，预测可折叠并自展开柔性复合材料薄壁结构的宏观力学性能，揭示不同材料复合具有不同宏观力学性能的内在机制；2）发展了可折叠并自展开的柔性复合材料薄壁结构的折叠/展开大变形力学性能预测模型，揭示其大变形力学性能与功能机理；3）建立了空间环境服役状态下的热强度评估模型，研究空间热环境对结构温度、热应力、热变形等的影响，实现热强度的预测与控制；4）借助计算机辅助设计技术和宏/细力学模型，分析并优化组分材料性能选择与匹配、宏/细观结构特征与尺寸参数、铺层方式、边界条件等。在本项目的支持下，已经正式发表SCI论文6篇、授权国家发明专利6项，此外，目前在投SCI论文2篇、待投和待申报国家发明专利若干。所取得的成果，可为航天可折叠复合材料结构研制与应用提供有力的技术支撑。