一、导读

现有的扭转结构主要采用若干刚性连杆和铰链结构来实现扭转变形，但这些结构普遍存在扭转角度有限、存储比小、结构笨重且变形机制复杂等问题。先进复合材料因其比强度高、比模量高、可设计性强和耐腐蚀性好等特性，在航空航天、交通运输、医疗器械和可再生能源等领域得到广泛应用。其中，基于预应力预弯曲复合材料平板结构的双稳态螺旋结构具有沿轴向扭转变形能力。然而，这种结构的形变特性容易受到热效应的影响，而且预应力制备的平板结构会导致非零高斯曲率变形，这些因素都限制了其在实际应用中的潜力。

2023年9月，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室在国际知名期刊《Composites Communications》发表题为“A bistable helical structure based on composite tape-springs”的文章。论文提出了一种基于复合材料卷尺结构的双稳态螺旋结构，该结构制备简单，变形机制稳定可靠。研究首先建立了基于零高斯曲率变形的非拉伸应变能模型，用于预测该结构的双稳态特性以及相应扭转变形过程的应变能路径。此外，研制了一台轴向位移载荷装置用于研究该结构非线性扭转变形机制。该研究将有助于航空航天可展结构的扭转结构设计。文章第一作者为2021级硕士研究生徐彪，通讯作者为重点实验室副主任王冰教授，重点实验室主任钟舜聪教授等其他成员也共同参与了课题研究。

二、内容简介

双稳态螺旋结构采用销接方式将复合材料卷尺结构和硬质辐条连接，具有完全展开和完全收拢两种稳态构型，可在轴向位移或扭矩作用下实现结构稳态间的稳定重复跳变。

Figure 1. Schematic diagram of a bistable helical structure based on composite tape-springs, showing the axial shape-changing process in terms of both the twisted angle, φ, and the axial displacement per unit length, δ, as a function of the helical angle, θ; insets present: (a) the constitutive definition of the representative volume unit; (b) extended stable configuration; (c) intermediate twisted shape; (d) fully-twisted stable configuration.

论文中研制了一台轴向位移载荷装置，用于监测在轴向位移载荷作用下，双稳态螺旋结构加载和卸载过程中的轴向反作用载荷，以对其形变特性进行表征。

Figure 2. Experimental setup of the bespoke axial displacement rig used to monitor the shape-changing process of the bistable helical structure.

尽管基于复合材料卷尺结构的双稳态螺旋结构本质上并不是“无应力”，但其完全展开和完全收拢均为稳态构型,如点A和C所示，点B为鞍点（跳变点）。

Figure 3. (a) A polar plot of the helical structural strain energy U calculated by using Eqn (3) as a function of the structural ratio, α, and helical angle, θ; (b) the strain energy path along the contour line when α = 0.5, associated with typical shapes from a real bistable helical structure.

Figure 4展示了在轴向位移载荷作用下，双稳态螺旋结构非线性扭转变形过程的实验表征。

Figure 4. Experimental characterisation of the non-linear shape-changing process of the bistable helical structure when subjected to axial displacement. Both the loading and unloading processes are presented, together with typical non-uniform twisted sample shapes.

三、总结

论文提出了一种基于复合材料卷尺结构的双稳态螺旋结构，具有完全展开和完全收拢两种稳态构型，可实现重复稳定扭转变形且收纳比可控。在考虑结构几何关系和复合材料的正交各向异性的基础上，建立了基于非拉伸应变能的结构力学模型，与实验观察结果吻合良好。随后，研制了一台轴向位移载荷装置，用于研究双稳态螺旋结构的扭转变形机制。研究表明：在轴向位移载荷作用下，双稳态螺旋结构经历弯扭耦合、局部剪切屈曲变形以及由其双稳态特性引发的跳变行为。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101723