空间探测装备的预紧、释放与复位机构要求弹性元件在有限空间和质量内提供稳定轴向载荷。波形弹簧具有轴向紧凑、几何参数可调等优点，但多单元波簧的连接方式、变形能力与局部应力相互耦合，难以同时兼顾规定载荷、工作行程和质量。针对这一问题，本文提出一种热塑性复合材料对顶波簧：在相向波圈的预定位置形成连续的接触区，并在其余位置保留自由弯曲段，使载荷传递与弹性变形在单元内协同实现。与单纯依赖波圈接触状态传力的方式相比，该局部融合连接在初始状态下即具有结构连续性，为材料挤出工艺的一体成形提供了基础。以低载荷端50±5 N、高载荷端250±25 N及20 mm工作行程为目标，开展轻量化导向的构型设计与参数优化。
基于上述构型，首先建立由两个相向闭合环形波圈组成的参数化单元模型，以内径D_i、外径D_o、波高h、带状截面厚度t和等效串联数量n为设计变量。通过调整两波圈的轴向位置与周向相位，使局部实体搭接并进行布尔合并，获得无载状态下即连续的接触融合区；单元沿轴向组合形成整簧。采用碳纤维增强聚碳酸酯（PC-CF）材料，通过材料挤出式增材制造制备样件。成形中关注接触融合区的连续性，以保证相邻波圈的载荷传递。随后开展五次准静态轴向重复压缩试验。试验以载荷首次达到45 N时的位置为位移基准，继续压缩20 mm后记录终点载荷，用于验证设计的承载响应。
为评价候选结构在目标载荷范围内的承载能力和静强度裕度，建立单个接触式对顶波簧单元的有限元模型，位移控制方式模拟轴向压缩，获得反力—位移曲线及Tsai-Hill失效系数。依据相同串联单元变形累加，将单元响应映射至整簧，并以特征载荷间的位移跨度、割线刚度和失效系数筛选方案。围绕目标工况开展五轮几何参数迭代，各方案所对应的等效串联数量为8.5～10组、区间刚度为9.05～10.24 N/mm。综合比较后，选取内径52 mm、外径78 mm、波高5 mm、厚度1.75 mm及8.5组等效串联单元的方案，整簧高度110.75 mm。有限元得到44 N/4.59 mm和227 N/24.82 mm两个特征点，位移跨度为20.23 mm，区间等效刚度为9.05 N/mm，最大Tsai-Hill失效系数约0.82，低于失效判据值1，表明其载荷—位移响应接近设计目标并具有一定静强度裕度。
进一步将计算结果与样件五次重复压缩试验进行对比。试验终点载荷分别为235.75、246.56、247.06、247.08和246.37 N，平均值为244.56 N，样本标准差约4.94 N，均处于225～275 N的高载荷目标区间。与有限元高载荷特征值227 N相比，实测平均值高17.56 N，相对偏差约7.7%。考虑到仿真特征点与试验采用的45 N起始基准并不完全相同，该偏差应理解为对应工作区间承载水平的近似比较，而非相同位移条件下的严格误差。结果表明，有限元预测与试验在高载荷响应上具有较好的一致性。
本文通过热塑性复合材料对顶波簧的结构创新与参数优化，结合有限元分析和轴向压缩试验，实现了波簧结构轻量化需求与力学性能要求的协同设计。研究结果表明，所提出的结构能够在控制轴向尺寸的同时，获得符合设计要求的载荷—位移响应，并保持一定的静强度裕度，试验结果与数值模拟结果具有较好的一致性。该研究验证了热塑性复合材料接触式对顶波簧的初步工程可行性，为空间探测装备中轻量化弹性元件的结构设计与增材制造提供了参考。
 

空间探索装备；,轻量化设计,接触式对顶波簧,热塑性复合材料,增材制造

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