一、导读

双稳态复合材料卷尺结构（Bistable Composite Tape-spring，简称CTS）具有伸展和卷拢两种稳态构型，在外界激励作用下，可实现稳态构型间的重复展开和卷拢变形，也可作为铰链结构折叠起来。由于CTS的双稳态特性及其正高斯曲率形变机制，在空天折展结构设计制造等领域具有广阔的应用前景，并已在国际空间站和微纳卫星实现在轨展开和应用：基于CTS的卷轴式柔性太阳翼已成功部署在国际空间站，并应用在双小行星重定向测试卫星（DART）。当前对于CTS结构的研究集中在其双稳态实现机制和卷展形变机理等方面，然而对于结构的折叠稳态和智能铰链结构设计等方面的研究和应用仍有待进一步深入和完善。

2024年3月，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室王冰教授，与英国剑桥大学固体力学国际知名学者Keith A Seffen教授合作，在机械工程和力学领域中科院一区TOP期刊《International Journal of Mechanical Sciences》发表了题为“Folding mechanics of a bistable composite tape-spring for flexible mechanical hinge”的研究，系统揭示了柔性双稳态复合材料铰链的折叠稳态机制，以期进一步拓展CTS在结构和功能一体化柔性可折叠铰链方面的应用价值。论文第一作者是陈晖教授，通讯作者是王冰教授，剑桥大学Keith A Seffen教授、实验室钟舜聪教授等共同参与了课题研究并做出重要贡献。

二、内容简介

双稳态复合材料铰链结构的折叠稳态机制取决于其初始几何曲率构型。CTS结构在折叠后，其稳定折叠区域和自然末端区域之间存在过渡区域，结构的几种折叠典型构型如图1所示。

图1 双稳态复合材料铰链结构折叠的典型构型

通过构建双稳态结构折叠过程的应变能分布模型，可推导出结构发生稳态构型转变的临界边界条件，确定稳定折叠区和过渡区域的构型及其应变能演变规律，阐明几何曲率构型对其折叠稳态的作用机理，结果如图2所示。

图2 结构发生稳态构型转变的临界边界条件

双稳态复合材料铰链结构的折叠形变存在多个稳态构型，基于稳态转变临界长度、稳定折叠角、过渡区域长度等临界边界特征，建立了结构的折叠机制模型，结果如图3所示。

图3 双稳态复合材料铰链结构的折叠稳态及形变演化机制

三、总结

论文系统研究了柔性双稳态复合材料铰链结构在折叠过程中的稳态和形变演化规律，建立了双稳态结构折叠过程的应变能分布模型，通过对折叠曲率、应变和应变能的演化分析，确立了柔性结构稳态转变的临界长度、稳定折叠角、过渡区域长度等临界边界特征，揭示了双稳态可折叠铰链结构的折叠稳态机理，以期进一步拓展双稳态结构在柔性可折叠铰链结构及其智能驱动设计方面的潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109188