随着空间探测技术的不断发展，大型空间遮光罩等可展开结构对轻量化、高收纳比及折叠可靠性提出了更高要求。传统机械铰链通常结构组成相对复杂，而复合材料柔性铰链可利用薄壁结构的弹性变形实现折叠收纳，具有质量轻、结构简单等特点，在空间可展开结构中具有良好的应用潜力^[1-2]。其中，具有弧形截面的复合材料带簧结构能够通过截面变形适应较大折叠位移，其折叠过程通常伴随明显的几何非线性、局部曲率变化及弹性应变能积累，相关力学行为受到截面几何、材料铺层和边界约束等因素影响^[3-4]。对于由多片C型复合材料薄壁片组合形成的柔性铰链，片数变化不仅会改变结构整体承载能力，也可能影响片间接触、局部变形协调性及应力应变分布。因此，研究不同片数条件下柔性铰链的非线性折叠力学行为，对空间遮光罩折展机构的设计具有参考意义。
针对上述问题，本文以一种由多片C型复合材料薄壁片反向对称排列组成的柔性铰链为研究对象，采用有限元数值模拟的方法，研究其大变形折叠过程中的力学行为，并分析C型片数量对铰链力学性能的影响。单片C型复合材料薄壁片的长度L为500 mm，截面圆弧半径R为75 mm，圆心角为120°，如图1(a)所示。C型片采用单向T700碳纤维/环氧树脂复合材料，并依据实际铺层方案定义材料属性及铺层参数。在保持单片几何尺寸、材料性能和铺层方式一致的条件下，分别建立由2片、4片和6片C型复合材料薄壁片组成的铰链有限元模型，以研究片数变化对铰链折叠力学性能的影响，如图1(b)所示。
考虑C型复合材料薄壁片在折叠过程中存在大变形和片间接触等非线性特征，采用Abaqus/Explicit显式求解器开展非线性有限元分析，使用复合材料壳单元建立C型薄壁片。根据柔性铰链的实际折叠方式，将加载过程划分为截面压扁和整体折叠两个阶段：首先对C型片施加压扁位移，使局部截面发生展平变形；随后保持相应的压扁约束，在铰链活动端参考点施加规定方向的折叠位移，使铰链逐渐形成折叠构型。三种片数模型均采用相同的加载历程及250 mm的目标折叠位移，且采用一致的网格划分原则。同时，引入Tsai-Hill复合材料强度判据，以评价铰链折叠过程中的局部强度风险。
在数值分析过程中，提取2片、4片和6片铰链活动端的折叠反力及相应位移，绘制不同片数条件下的力—位移响应曲线，分析变形折叠阶段的载荷变化特征。同时，提取折叠过程中的弹性应变能，分析C型片数量对铰链结构弹性应变能的影响。数值模拟结果表明，2片、4片和6片铰链整体折叠形态基本一致，局部变形主要集中于铰链弯折区域。如图2所示，随着折叠位移增加，三种结构的折叠反力均呈现先快速增大、随后显著下降，并在后续大变形折叠阶段维持较低水平且缓慢回升的变化趋势。在250 mm目标折叠位移下，2片、4片和6片铰链的最终折叠状态反力分别为15.72 N、30.56 N和44.01 N，随C型片数量增加而逐渐增大，整体上表现出近似比例增长的特征。三种结构在最终折叠状态下的弹性应变能分别为4.436 J、9.334 J和14.367 J，表明铰链的弹性应变能随C型片数量增加而增大。其中，6片铰链相较于4片铰链的末态弹性应变能提高约53.9%，与片数增加幅度基本一致。局部应力主要集中于铰链弯折区域的C型薄壁片边缘。2片、4片和6片结构在折叠阶段对应的最大Tsai-Hill失效系数分别为0.804、0.838和0.938，对应的最终折叠态的失效系数分别为0.736、0.798和0.912，如图3所示。三种构型的最大失效指标均小于1，表明在所采用的强度判据及计算工况下，均未达到Tsai-Hill失效阈值；但随着片数增加，最大失效指标逐渐增大，6片构型更接近强度判据阈值，说明提高片数的同时还应关注局部应力集中及强度风险。
综上，本文建立了由多片C型复合材料薄壁片反向对称排列组成的铰链有限元模型，研究了不同片数条件下铰链的折叠变形、反力响应、弹性应变能变化及局部强度风险。结果表明，在所研究的片数范围内，铰链的整体折叠形态基本一致，随着C型片数量增加，铰链的折叠反力和弹性应变能均增大，但局部失效指标也随之增大。研究结果揭示了C型片数量对柔性铰链非线性折叠力学行为的影响规律，可为此类复合材料柔性铰链的结构配置、折叠载荷控制及局部强度设计提供参考，并为空间遮光罩折叠机构的工程应用提供分析依据。
 

空间遮光罩；复合材料柔性铰链；非线性折叠；弹性应变能