空间可展开中性稳态复合材料结构设计和展开动态特性研究

Deployable structures are widely used in space applications as a result of their improved carrying capacity of space vehicles. Space structures usually require subsystems with large volume reduction rates and high reliability due to storage limitations of the launch vehicles and the launch costs, which challenge the design of deployable structures. Therefore, in this project a new type of neutrally stable deployable boom that do not show an inclination to spring out to fully extended configuration when partially rolled are proposed. Design theory and deployment dynamic characteristics of neutrally stable booms are mainly studied. An analytical model is developed in order to describe the neutral stability and to determine the existence of neutral stability, as well as the influence of design parameters on the curvature change of the cross section. The relationship between the configuration transformation mechanism and the main control parameters of the structure is revealed. The macroscopic deformation characteristics of the neutrally stable structure and the variation of strain energy within the composite material in the configuration transformation process will be examined through VIC test. The dynamic performance of booms is further optimized under constraints of neutral stability with respect to specified parameters. The results will dramatically expand the research ideas of the space deployable booms, which provide foundations for engineering applications .

空间可展开结构在航天器中具有广泛的应用前景，由于受到运载空间和发射成本的限制，通常要求该结构具有较大的收展比和较高的系统可靠性，使得其理论方法研究和技术实现面临了一系列挑战。为此，本项目提出一种在收拢构形、部分展开和完全展开构形时均可以保持构形稳定的中性稳态复合材料支撑结构。本项目主要对中性稳态复合材料结构的设计理论和展开动态特征进行深入系统研究，建立中性稳态结构的理论分析模型，研究中性稳态特性存在的必要条件和设计参数对于曲率变化的影响规律；分析载荷作用下结构的变形模式、曲率变化规律，揭示结构的构形转换机理与主控参数之间的关系；运用VIC非接触全场应变测量系统，探索结构的宏观变形特征及构形转换过程中复合材料的应变能变化规律，结合中性稳态特性，获取中性稳态结构的最优设计参数。本项目研究成果将极大地拓展空间可展开支撑结构前沿领域的研究思路，为工程应用提供技术储备，具有重要的研究价值。

空间可展开结构在航天器中具有广泛的应用前景，由于受到运载空间和发射成本的限制，通常要求该结构具有较大的收展比和较高的系统可靠性，使得其理论方法研究和技术实现面临了一系列挑战。为此，本项目提出一种在收拢构形、部分展开和完全展开构形时均可以保持构形稳定的中性稳态复合材料支撑结构。本项目综合运用力学、材料学分析、有限元模拟和实验测试等手段，针对中性稳态复合材料结构的设计理论和展开动态特征进行深入系统研究。结合复合材料经典层合板理论和最小应变能理论，建立了粘弹性理论模型，研究了几何尺寸、纤维角度、铺层顺序等因素对层合板结构稳态特性的影响，探索中性稳态特性存在的必要条件，建立了稳态结构的固化仿真分析模型，获取了结构残余应力与成型工艺参数之间的关系。根据理论分析结果，建立了有限元模型，分析了外部载荷作用下，结构的变形模式、展收特性与构形转换，获取了截面曲率的变化规律，研究了复合材料结构的设计参数对构形转换的影响，揭示了结构的构形转换机理和主控参数。确立了卷曲结构的设计参数，采用非接触全场应变测量系统，研究了复合结构在构形转换及卷收过程中的宏观变形特征与应变变化规律。结合稳态特性存在的必要条件、特定卷曲直径以及材料允许的纤维角度等约束条件，采用人工智能的方法，对结构的振动频率进行了优化设计，得到相应的设计参数。本项目研究成果可以应用于空间伸展臂、薄膜航天器及柔性太阳翼等空间载荷的驱动/支撑结构，对于空间结构的高收纳比和轻量化设计有重要意义。.研究思路，为工程应用提供技术储备，具有重要的研究价值