空间可展结构复合材料薄壁圆管铰链多目标优化研究

复合材料薄壁圆管铰链在卫星天线、太阳翼等大型航天可展结构中具有广阔的应用前景,其结构参数设计极大地影响它在空间的工作性能。为提高复合材料薄壁圆管铰链的力学性能,首先建立复合材料卷尺弹簧的解析和有限元模型,分析其弯曲特性,进而建立复合材料薄壁圆管铰链的有限元模型并研究其折展和扭转特性,分析结构参数对铰链性能的影响规律。结果表明:增大开槽长宽比、减小铰链厚度直径比可以明显提高铰链的弯曲和扭转性能;选取铰链结构参数为设计变量,建立多目标优化数学模型,结合最优拉丁超立方试验设计方法,建立结构参数与铰链峰值弯矩、最大应力、扭转刚度之间的RBF神经网络代理模型,通过NSGA-Ⅱ遗传算法进行优化;优化结果表明:铰链的峰值弯矩提高44.8%,扭转刚度提高110%,同时质量下降20.4%,在提高复合材料薄壁圆管铰链力学性能的同时实现了轻量化,使得铰链机构的自驱动能力和自锁定能力有了全面的提高,为复合材料薄壁圆管铰链在空间可展开结构中的实际工程应用提供了理论依据。