太陽帆是利用太陽光壓驅(qū)動的航天器，具有低成本、長壽命、環(huán)境友好和可持續(xù)推進(jìn)等特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種有可能乘載人類到達(dá)太陽系外星系的航天器。其超大面積帆面的支撐結(jié)構(gòu)，必須同時滿足“高收納比”和“可靠展開”這兩個看似矛盾的要求。
中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制出一種小尺寸截面、輕質(zhì)高剛度的復(fù)合材料——可展收伸展臂（Deployable Composite Boom，DCB），并系統(tǒng)模擬了該結(jié)構(gòu)在卷繞及展開過程中的非線性力學(xué)行為，為輕小型太陽帆展開機(jī)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)提供了解決途徑。
▲太陽帆上輕小型可展收復(fù)合材料伸展臂
01
精準(zhǔn)預(yù)測
“折疊”與“展開”
為了獲得更高的展開與收攏比，太陽帆通常采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)，以支撐大面積帆膜。
此類結(jié)構(gòu)在卷曲和展開過程中會產(chǎn)生顯著的非線性力學(xué)行為（如大變形、接觸摩擦等），使得預(yù)測和控制其展收行為變得異常困難，更嚴(yán)重的會直接影響太陽帆的可靠性和使用壽命。因此亟需一種更為高效的數(shù)值分析模型來優(yōu)化這種變形行為。
▲可展收復(fù)合材料伸展臂數(shù)學(xué)模型
科研團(tuán)隊在經(jīng)典薄壁梁理論的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地引入了非線性修正項，更準(zhǔn)確地描述臂桿從初始狀態(tài)到壓平，再到卷繞成卷的整個變形過程。
模型特別考慮了材料中性軸局部拉伸、曲率變化的非線性關(guān)系，以及材料接觸摩擦帶來的額外影響。
▲可展收復(fù)合材料伸展臂數(shù)值模型
02
揭示卷繞過程中的力學(xué)規(guī)律
通過高精度數(shù)值模擬，科研團(tuán)隊揭示了DCB臂桿卷收過程力學(xué)行為的影響規(guī)律：
● ?應(yīng)力“熱點(diǎn)”明晰：卷收過渡區(qū)是應(yīng)力最為顯著的部位，最大綜合應(yīng)力出現(xiàn)在下層結(jié)構(gòu)最外層材料的側(cè)弧拐點(diǎn)處，是最易誘發(fā)失效的關(guān)鍵區(qū)域。
● ?顯著的層間與區(qū)域差異：下層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平普遍高于上層結(jié)構(gòu)；外層材料承受的應(yīng)力遠(yuǎn)高于內(nèi)層和中層；不同方向（X向拉伸/壓縮、Y向剪切）的應(yīng)力在上下層及各層的分布模式也存在系統(tǒng)性差異。
● ?中層相對穩(wěn)定：中層材料由于厚度相對較大，其應(yīng)力分布較內(nèi)、外層更為均勻，展現(xiàn)出更好的承載穩(wěn)定性。
▲復(fù)合材料臂桿展收過程不同層應(yīng)力影響區(qū)
為了檢驗理論和模擬結(jié)果的可靠性，科研團(tuán)隊搭建了專門的卷收實驗平臺，通過測量不同卷收角度下的應(yīng)變值和扭矩，對理論建模和仿真分析進(jìn)行嚴(yán)格驗證。
實驗測量結(jié)果顯示，應(yīng)變和扭矩變化趨勢，與理論模型預(yù)測及仿真結(jié)果吻合良好，這證明了模型的有效性。
▲復(fù)合材料臂桿展收實驗裝置及測試結(jié)果
該研究系統(tǒng)揭示了小尺度薄壁復(fù)合材料可展開臂桿在卷折過程中的復(fù)雜力學(xué)行為，特別是明確了關(guān)鍵的高應(yīng)力區(qū)域和層間應(yīng)力差異規(guī)律。
這為未來設(shè)計和優(yōu)化此類高性能、高收納比的太空可展開結(jié)構(gòu)提供了重要的理論依據(jù)和設(shè)計指導(dǎo)。
來源：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所
責(zé)任編輯：王穎
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