近日，我院安宁副研究员在复合材料空间可展开结构方面的工作“Multiscale modeling of viscoelastic behavior of unidirectional composite laminates and deployable structures”发表在材料科学领域顶级期刊Materials & Design（2021年IF=7.991，中科院&JCR一区TOP期刊）上。四川大学空天学院安宁副研究员为论文第一作者兼通讯作者，四川大学空天学院为唯一通讯单位，论文合作者包括西安交大周进雄教授、西安交大博士生金浩等。该研究工作得到了四川大学引进人才科研启动经费、西安交大机械结构强度与振动国家重点实验室开放课题等项目的支持。
当前，复合材料薄壁可展开结构越来越多地应用于空间大型可折展结构的设计中。由于复合材料基体本身固有的粘弹性特征，且在空天应用中不可避免地面临先收拢储存、后展开的需求，复合材料结构在收拢及储存的过程中，在时间和温度的双重效应下可能发生应力松弛，造成储存在结构变形中的应变能减小，最终对其展开性能产生不利影响。如何建立既可靠又易于技术人员掌握的复合材料粘弹性力学建模方法，实现储存条件（时间、温度等）对复合材料可展开结构力学性能影响的预测，是一个值得研究的科研问题。
基于此背景，作者提出了一种基于粘弹性复合材料力学的多尺度建模方法，该方法开发了一款基于商业有限元软件ABAQUS的计算插件软件，以实验易于测量的纤维和基体的粘弹性材料参数为输入，可用于预测任意复杂形状的复合材料单向层合板和复合材料薄壁壳结构的粘弹性力学行为。文中以一种复合材料可折展铰链结构为例，给出了该方法模拟空间可展开结构折叠-储存-展开分析的具体应用过程。图1给出了粘弹性复合材料力学参数预测插件的界面。图2展示了插件计算结果与文献结果的对比，验证了软件的准确性和有效性。图3给出了复合材料带簧铰链结构的展开动力学过程。图4利用插件计算获得的参数预测了复合材料带簧铰链经历长期储存后展开过程的变化。
图1 粘弹性复合材料等效性能参数计算插件Viscoelastic RVE Calculator
图2 插件计算结果与文献中其他方法计算结果的对比
图3 复合材料带簧铰链展开动力学过程模拟
图4 经历不同的储存时长后复合材料带簧铰链展开角度随时间的变化