摘要：复合材料带状弹簧铰链（CTSH）因其高比强度和高比刚度而广泛应用于航天器、卫星等空间结构中，成为一种重要的轻质结构连接器。通过在复合材料管中引入切口，CTSH获得了折叠和部署的能力，而进一步优化切口尺寸可以提升其性能。

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复合材料带状弹簧铰链（CTSH）因其高比强度和高比刚度而广泛应用于航天器、卫星等空间结构中，成为一种重要的轻质结构连接器。通过在复合材料管中引入切口，CTSH获得了折叠和部署的能力，而进一步优化切口尺寸可以提升其性能。

然而，切口尺寸与CTSH动态部署性能之间的相互作用是一个新颖的话题。为了解决这个问题，该研究提出了一个多目标优化问题，旨在在保持质量不变的前提下，同时最小化CTSH的最大超调角和部署时间。

研究通过结合数据驱动代理模型和尺寸优化，实现了加速的尺寸优化。与初始设计相比，优化的CTSH设计在性能方面取得了显著改善，最大超调角降低了26.3%，部署时间缩短了12.6%。所提出的优化策略具有高度适应性，可以应用于各种优化问题，为未来设计具有良好性能的空间可部署结构提供了宝贵的见解。

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一、 引言

复合材料带弹簧铰链 (CTSH) 作为一种轻质结构连接器，因其高比强度和高比刚度，在航天器、卫星等空间结构中应用广泛。CTSH 通过在薄壁复合材料管上开孔，实现了折叠和展开的功能，在发射和存储阶段可折叠成小体积，进入轨道后释放应变能进行展开。这种独特的结构特性使其成为传统机械铰链的潜在替代品，并激发了新型可展开结构的创新设计。尽管 CTSH 在空间结构中具有巨大潜力，但其动态展开行为仍面临挑战。在展开过程中，若铰链释放的动能过大，会导致结构超调并发生振荡，从而增加结构损伤的风险。如何平衡动能的释放和抑制超调现象，是 CTSH 设计的关键问题。

近日，《Thin-Walled Structures》期刊发表了一篇由西安交通大学、四川大学、大连理工大学和上海鉴创科技有限公司、西安空间无线电技术研究所的研究团队完成的有关复合材料带弹簧铰链的动态展开性能优化的研究成果。该研究通过实验、数值模拟和代理模型优化，揭示了切口尺寸对 CTSH 动态展开性能的影响，并实现了对 CTSH 尺寸的快速优化，为提升空间可展开结构的动态展开性能提供了重要参考。论文标题为“Optimizing deployment dynamics of composite tape-spring hinges”。

二、内容介绍

图1 结构示意图。

该研究构建了包含 CTSH 的可展开桁架结构模型，并进行了动态展开实验。实验结果表明，切口尺寸对 CTSH 的折叠模式、展开时间和最大超调角均有显著影响。

研究团队基于 Abaqus/Explicit 有限元软件建立了 CTSH 的精细化数值模型，并进行了准静态折叠和动态展开模拟。模拟结果与实验数据吻合良好，验证了模型的准确性，并与实验数据进行了对比分析。

图2 CTSH在零重力卸载条件下的动态部署实验装置。

图 3 不同切口尺寸的 CTSH 的折叠模式。

研究团队利用拉丁超立方抽样方法构建了设计空间，并基于有限元分析数据建立了径向基函数 (RBF) 代理模型。该代理模型能够快速预测 CTSH 的性能，从而避免大量高保真度有限元分析的计算成本。

图4 有限元模型

该研究利用非支配排序遗传算法 II (NSGA-II) 对 CTSH 的切口尺寸进行了多目标优化，以最小化展开时间和最大超调角。优化结果表明，优化后的 CTSH 设计在展开时间和最大超调角方面均有显著提升，与初始设计相比，最大超调角降低了 26.3%，展开时间缩短了 12.6%。

图5 代理建模和优化过程的流程图。

图6 通过尺寸优化获得的最优切口设计

三、小结

该研究通过实验、数值模拟和代理模型优化，揭示了切口尺寸对 CTSH 动态展开性能的影响，并实现了对 CTSH 尺寸的快速优化。优化后的 CTSH 设计在展开时间和最大超调角方面均有显著提升，为未来空间可展开结构的设计提供了重要参考。

该研究提出的代理模型优化框架具有通用性，可以扩展到其他可展开复合材料结构的优化问题，例如纤维取向和层合配置的优化。此外，该研究还强调了考虑复合材料损伤机制和粘弹塑性行为的重要性，以确保可展开结构的可靠性和安全性。

原始文献：

Jin, H., An, N., Jia, Q., Guo, R., Ma, X., & Zhou, J. (2024). Optimizing deployment dynamics of composite tape-spring hinges. Thin-Walled Structures, 198, 111738.

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责任编辑：复小可

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来源：小杨科技论