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Composite thin-walled lenticular tubes (CTLTs)采用新型夹层结构，结合短纤维增强表面层和单向芯层，在有限元分析中验证其弯曲刚度提升12%，最大折叠应力降低75%，重量减少10%，适用于大尺度空间可展开结构。
雷旭|丛赵|吴建云|周来水|安露玲
南京航空航天大学机械与电气工程学院，南京，210016，中华人民共和国
摘要：
复合薄壁透镜管（CTLTs）被认为是航天器可展开机构中的关键部件。为了克服传统热固性CTLTs的固有局限性，本文提出了一种新型的夹层结构热塑性CTLT，该材料由短纤维增强层和单向芯层组成。使用ABAQUS软件进行了有限元模拟，系统研究了其在平整和折叠过程中的弯曲刚度、固有频率和应力特性。与传统[45/-45/0/0/0/-45/45]铺层的热固性CTLTs相比，所提出的夹层结构使弯曲刚度提高了12%，最大折叠应力降低了75%，重量减轻了10%。结果表明，这种热塑性设计显著提升了机械性能，因此在大规模空间可展开结构中具有巨大应用潜力。
引言
碳纤维增强复合薄壁透镜管（CTLTs），也称为舱杆，非常适合用于太空领域的高存储比可展开复合应变能管。通过其固有的弹性，可以实现横截面的平整、卷曲以进行存储，以及在轨展开。由于其结构简单、存储比高、部署可靠且成本低，CTLTs成为太阳帆、空间膜天线阵列和大面积太阳能电池阵列的主要解决方案[1]。
目前，CTLTs采用对称的多层超薄单向热固性预浸料制备而成，大量研究推动了热固性CTLTs的设计和优化。主要关注点在于表征CTLTs在存储和展开过程中的机械行为。Laurenzi等人和Bai等人利用有限元分析对非线性稳定性[2]、[3]、[4]、[5]、轴向压缩稳定性[6]、[7] [8]及相关机械性能[9]、[10]、[11]、[12]进行了全面研究。同时，Fernandez等人和Zhang等人研究了结构刚度、截面几何形状和铺层配置如何影响展开和存储特性以及整体性能[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。除了基本特性研究外，还提出了许多提高热固性CTLTs机械性能的方法。通过增加截面中的弧段数量可以提高抗压性能。Ding及其同事使用显式动态算法研究了卷曲和展开行为的非线性准静态模拟[18]、[19]、[20]。Liu提出了一个精细的双参数解析模型，以进一步理解折叠行为[21]、[22]、[23]、[24]。此外，还在其他相关领域进行了许多研究，如自然频率分析[25]、[26]、[27]、双稳态展开机制[28]、[29]、[30]、[31]、极端变形下的损伤和失效行为[32]、自驱动展开方法[33]、[34]、[35]、热诱导振动[36]、借助机器学习的多目标设计[37]、[38]、[39]以及制造过程的优化[40]、[41]、[42]。
然而，热固性CTLTs在更大空间结构中的应用存在固有局限性。首先，热固性CTLTs的结构效率和可制造性受到热固性树脂较差的韧性、不足的热循环稳定性和高放气率的限制。其次，热固性CTLTs无法完全满足大规模可展开空间系统的日益严格的要求，如改进的存储和展开性能、更优的机械性能、长期的空间稳定性和在轨适用性。
与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有优异的性能，如高韧性、更好的热循环稳定性、抗空间辐射能力和低放气率。此外，它们还具有显著的制造优势，包括后成形性和可焊接性，使其成为大规模空间可展开结构中应变能杆的理想材料，具有更好的展开性能、可靠的在轨服务特性和降低的制造成本。基于热塑性复合材料的优势，本研究提出了一种新型的夹层结构热塑性CTLT。关键创新在于采用了一种铺层配置，结合了短纤维增强热塑性预浸料（SFRP）的表面增强层和提供高轴向载荷能力的单向热塑性预浸料芯层。
本文的其余部分安排如下：第2节描述了夹层结构CTLT的有限元模型（FEM）并分析了其刚度和固有频率。第3节研究了端部平整和折叠过程中的应力分布和演变。最后，第4节给出了结论和未来研究的方向。
有限元模型和参数
为了评估夹层结构CTLT的弯曲刚度和固有频率，使用了以下几何和材料参数建立了有限元模型。如图1(a)和(b)所示，在ABAQUS中建立了长度为2500毫米、直段宽度为20毫米、角度为60°、截面半径分别为50毫米和80毫米的模型。模型采用S4R简化积分壳单元进行离散化。在
平整和折叠的有限元模型
基于经过验证的折叠过程有限元建模方法[33]，本研究建立了CTLT折叠装置的等效物理模型，如图3所示。折叠过程分为两个连续阶段。第一阶段是CTLT的端部平整，通过存储开口内的弹塑性变形实现。第二阶段，平整后的CTLT通过铰链机构连接到卷绕中心。
结论
本文提出了一种新型的夹层结构热塑性复合薄壁管，其铺层配置包括短纤维增强层和单向芯层。有限元分析表明，与传统热固性铺层相比，所提出的结构在保持优异折叠性的同时，机械性能得到了提升。具体而言，质量减少了约10%，X方向的弯曲刚度提高了
作者贡献声明
丛赵：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、正式分析。雷旭：撰写 – 原稿撰写、方法论、研究、正式分析。安露玲：监督。周来水：监督。吴建云：验证、研究
数据可用性
支持本研究结果的数据可向通讯作者索取。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（92267201）、国家自然科学基金（51975280, 52005257）的重点项目，以及南京航空航天大学（90YAH24038）的研究启动项目的支持。
