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盤(pán)壓桿雙穩(wěn)態(tài)特性精確調(diào)控方法及構(gòu)型設(shè)計(jì)流程圖

空間可展開(kāi)結(jié)構(gòu)是支撐航天器在軌工作的重要部件。盤(pán)壓桿（coilable mast）因其大折展比和展開(kāi)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，常作為空間環(huán)境探測(cè)器、太陽(yáng)能電池陣以及重力梯度桿等的展開(kāi)支撐機(jī)構(gòu)。

然而，盤(pán)壓桿在展開(kāi)過(guò)程中常因“壓縮-扭轉(zhuǎn)耦合變形”導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，由耦合變形引起的復(fù)雜折展運(yùn)動(dòng)行為，會(huì)導(dǎo)致整體折疊過(guò)程的精準(zhǔn)控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)，制約了其在高精度任務(wù)中的應(yīng)用。目前，科研人員主要依賴經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)盤(pán)壓桿這類伸展臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇，缺乏明確的參數(shù)選擇規(guī)則與系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)。

針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所空間自動(dòng)化技術(shù)研究室科研團(tuán)隊(duì)將Kresling折紙結(jié)構(gòu)的幾何與力學(xué)特性引入盤(pán)壓桿的建模中，清晰展現(xiàn)了盤(pán)壓桿在完整折疊過(guò)程中的能量演化路徑與雙穩(wěn)態(tài)特性，描述了盤(pán)壓桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的復(fù)雜變形行為，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)盤(pán)壓桿結(jié)構(gòu)行為的預(yù)設(shè)控制。通過(guò)靈活調(diào)整初始高度、材料屬性及構(gòu)件數(shù)量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)特性的精確調(diào)控，使得盤(pán)壓桿可以適配不同任務(wù)的穩(wěn)定性和折展比需求。該研究還形成了一套系統(tǒng)化的構(gòu)型設(shè)計(jì)流程，顯著提升了設(shè)計(jì)效率與可靠性。

科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了雙穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)和完整折疊過(guò)程實(shí)驗(yàn)，結(jié)果展示了盤(pán)壓桿的實(shí)際雙穩(wěn)態(tài)行為及變形模式，理論預(yù)測(cè)、數(shù)值模擬與真實(shí)物理現(xiàn)象高度吻合，進(jìn)一步證明了所提出的研究理論的準(zhǔn)確性與有效性。

該研究成果提升了盤(pán)壓桿設(shè)計(jì)的可靠性與可控性，可為未來(lái)太空任務(wù)中可編程、雙穩(wěn)態(tài)的空間盤(pán)繞式伸展結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)，提供了理論基礎(chǔ)與系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)框架。

該研究成果以Bistable property and energy programming of lanyard coilable masts inspired by Kresling origami為題發(fā)表于International Journal of Mechanical Sciences。沈陽(yáng)自動(dòng)化所博士研究生唐瑩瑩為第一作者，劉金國(guó)研究員為通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等相關(guān)項(xiàng)目的支持。（空間自動(dòng)化技術(shù)研究室）

DOI：10.1016/j.ijmecsci.2025.110542

論文地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020740325006253

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所