一、导读

空间可展开结构具有高储能比、收展稳定等特点，被广泛应用于太阳能电池阵列、太阳帆等空间可展开结构。利用复合材料的可设计性优势，可实现双稳态或多稳态柔性可展开结构的设计制造，具有高的比强度、比模量和收纳比，是未来新型空间折展结构设计和应用的发展趋势。

2024年2月，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室在机械工程和力学领域中科院一区TOP期刊《Thin-Walled Structures》发表了题为“A multistable composite hinge structure”的文章。论文提出了一种具有正高斯曲率变形机制的新型多稳态复合铰链结构，揭示了稳态构型转变的尺寸效应，以及多稳态复合铰链结构的稳态机理，为柔性多功能可折叠机械铰链的定制化设计提供新思路。实验室2021级博士研究生赵陈敏与2022级硕士研究生林心雨为论文的共同第一作者，通讯作者为王冰教授，实验室硕士研究生朱俊丞、关成龙博士和钟舜聪教授共同参与了课题研究，并作出重要贡献。

二、内容简介

双稳态复合材料卷尺基于结构的几何曲率效应制备而成。本文基于卷尺结构的双稳态原理，通过对薄壁复合材料卷尺结构进行变刚度设计，实现多稳态复合材料铰链结构的定制化设计。图1展示了基于AB型变刚度结构单元设计的三种稳态构型示意图，结构单元的多稳态特性取决于区域A与区域B的几何构型参数。

图1 AB型变刚度结构单元设计的三种稳态构型示意图

为揭示多稳态复合材料铰链结构局部区域构型对结构稳态的影响机制，建立了局部区域应变能的相互作用模型，结果如图2所示。由于结构刚度对应变能的影响起主导作用，铰链结构的多稳态特性主要取决于功能结构区域构型设计。

图2 多稳态复合材料铰链结构局部应变能的相互作用模型

构建了多稳态结构稳态构型转变的应变能演化理论模型，通过实验和有限元分析进一步验证了理论模型的可靠性，确立了复合材料铰链结构稳态设计的临界边界条件及其尺寸效应，结果如图3所示。

图3 复合材料铰链结构稳态设计的临界边界条件

三、总结

本文提出了一种具有正高斯曲率形变机制的新型柔性多稳态复合材料铰链结构设计制造方法，构建了局部区域应变能的相互作用模型，揭示了局部区域构型设计对结构稳态的影响机理，并确立了复合材料铰链结构稳态设计的临界边界条件。研究成果进一步丰富了多稳态复合材料结构设计的多样性，为满足新型空天折展结构的定制化需求提供基础理论支撑。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.111709