大变形柔性复合材料结构折叠力学

本书总结了大变形柔性复合材料结构的最新研究进展，取材于作者近年来从事相关研究工作的最新成果。全书共12章，系统阐述了大变形柔性复合材料结构的研究进展，简要介绍了能量法、变分原理和复合材料力学的基本理论，并探讨了大变形柔性复合材料结构在多种典型折叠模式下的理论模型，涵盖了圆柱壳轴向压缩折叠、带簧弯曲折叠、螺旋结构压缩折叠、豆荚杆卷曲折叠、管状伸展臂卷曲折叠以及双稳态伸展臂卷曲折叠等，详细讨论了典型大变形柔性复合材料结构有限元计算方法和优化设计策略，总结了工程应用进展，并对当前面临的挑战进行了展望。

1.国家重点研发计划项目“翼身融合民用飞机安全性和适航技术”的子课题“翼身融合布局民机结构与客舱安全适航评估技术”的负责人，子课题编号2022YFB4301000；2.国家自然科学基金面上项目“弹性应变与形状记忆联合作用的可折展复合材料结构变形机理和优化设计”，编号52275231，负责人；3. 国家自然科学基金面上项目“面向航空变体结构的柔性复合材料蒙皮技术研究”，编号51875026，负责人；4. 国家自然科学基金青年科学基金项目“可折叠并自展开的柔性复合材料薄壁结构的优化设计与实验验证”，编号51405006，负责人。

目录
第1章可展开复合材料结构研究进展1
1.1概述/1
1.2可展开复合材料铰链/2
1.2.1复合材料带簧/2
1.2.2整体式复合材料铰链/6
1.2.3组合式复合材料铰链/9
1.3可展开复合材料伸展臂/9
1.3.1管状复合材料伸展臂/9
1.3.2非管状复合材料伸展臂/12
1.3.3双稳态复合材料伸展臂/14
1.4可展开复合材料反射面天线/19
1.4.1玉米卷式复合材料反射面天线/19
1.4.2花瓣式复合材料反射面天线/20
1.4.3伞式复合材料反射面天线/22
1.4.4缠绕肋式复合材料反射面天线/23
1.5复合材料螺旋结构/25
1.6本书内容安排/26
参考文献/28
第2章能量法和变分原理41
2.1泛函与变分/41
2.2弹性体的能量/42
2.3最小势能原理/44
2.4最小余能原理/46
2.5哈密顿变分原理/48
2.6能量法与变分原理的求解方法/49
2.6.1瑞利里兹法/49
2.6.2伽辽金法/51
参考文献/52
第3章复合材料力学基础54
3.1复合材料单层板力学理论/54
3.1.1各向异性弹性力学基础/54
3.1.2单层板刚度/56
3.1.3单层板强度/61
3.1.4单层板力学性能测试方法/64
3.2复合材料层合板力学理论/68
3.2.1复合材料层合板概述/68
3.2.2层合板刚度/70
3.2.3层合板强度/74
3.2.4层合板铺层设计/76
参考文献/77
第4章复合材料圆柱壳轴向压缩折叠 79
4.1理论模型/79
4.1.1几何模型/79
4.1.2压缩载荷位移曲线/82
4.1.3形函数/88
4.1.4应力分析/89
4.2校验分析/92
4.2.1压缩夹具制备/92
4.2.2轴向压缩折叠试验/94
4.2.3模型验证/95
4.3结果与讨论/96
4.3.1误差分析/96
4.3.2非线性力学响应机制/96
4.4参数化分析/97
参考文献/99
第5章复合材料带簧弯曲折叠101
5.1理论模型/101
5.1.1几何模型/101
5.1.2弯曲折叠力矩纵向曲率关系/102
5.1.3稳态力矩/106
5.2校验分析/107
5.2.1金属圆柱壳/107
5.2.2复合材料圆柱壳/109
5.3结果与讨论/111
5.3.1误差分析/111
5.3.2比较理论模型和Yao模型/111
5.3.3应变能和纵向曲率的关系/112
5.4参数化分析/113
参考文献/116
第6章复合材料螺旋结构压缩折叠117
6.1理论模型/117
6.1.1几何模型/117
6.1.2压缩刚度理论解/120
6.1.3压缩强度理论解/123
6.2校验分析/125
6.3结果与讨论/129
6.4参数化分析/129
6.4.1螺旋角影响/129
6.4.2中径影响/134
参考文献/137
第7章复合材料豆荚杆卷曲折叠138
7.1理论模型/138
7.1.1几何模型/138
7.1.2卷曲变形与层间应力/141
7.1.3折叠力矩/142
7.1.4极限卷曲半径/147
7.2校验分析/150
7.2.1压/拉扁变形试验/150
7.2.2卷曲变形验证/153
7.2.3模型验证/156
7.3结果与讨论/157
参考文献/158
第8章管状复合材料伸展臂卷曲折叠159
8.1理论模型/159
8.1.1几何模型/159
8.1.2折叠力矩扭转角关系/162
8.2校验分析/168
8.2.1卷曲折叠机设计/168
8.2.2卷曲折叠试验/169
8.2.3模型验证/171
8.3结果与讨论/174
8.3.1误差分析/174
8.3.2工程应用价值/174
8.4参数化分析/175
参考文献/177
第9章管状复合材料伸展臂双稳态性能178
9.1理论模型1/179
9.2理论模型2/183
9.3校验分析/186
9.3.1双稳态试验/186
9.3.2理论模型结果/189
9.3.3模型验证/191
9.4结果与讨论/193
9.4.1误差分析/193
9.4.2工程应用价值/194
9.5参数化分析/195
参考文献/197
第10章大变形柔性复合材料结构数值模拟典型案例198
10.1复合材料豆荚杆数值模拟/198
10.1.1拉/压有限元模型/198
10.1.2卷曲变形有限元模型/202
10.1.3结果与讨论/204
10.2管状复合材料伸展臂数值模拟/205
10.2.1有限元模型/205
10.2.2卷曲折叠分析/206
10.2.3结果与讨论/209
10.3管状双稳态复合材料伸展臂数值模拟/212
10.3.1有限元模型1/212
10.3.2有限元模型2/215
10.3.3结果与讨论/217
参考文献/221
第11章复合材料结构优化设计案例223
11.1概述/223
11.2复合材料豆荚杆优化设计/228
11.2.1问题描述/228
11.2.2优化算法简述/230
11.2.3多目标优化设计框架/231
11.2.4基准测试/232
11.2.5设计方案/233
11.3管状复合材料伸展臂优化设计/235
11.3.1问题描述/235
11.3.2多目标优化框架/237
11.3.3设计方案/238
11.3.4铺层方案和横截面半径的影响/240
11.3.5基准测试超参数/241
11.3.6基准测试优化算法/243
11.4管状双稳态复合材料伸展臂优化设计/244
11.4.1问题描述/244
11.4.2多目标优化框架/245
11.4.3目标函数建模/246
11.4.4四种优化算法/252
11.4.5基准测试/256
11.4.6设计方案/259
11.5结果与讨论/260
11.5.1寻优性能/260
11.5.2基准测试的意义/260
参考文献/261
第12章可展开结构的应用266
12.1应用/266
12.1.1可展开复合材料铰链/266
12.1.2可展开复合材料伸展臂 /267
12.1.3可展开复合材料反射面/270
12.2展望/271
12.2.1卷曲折叠性能建模/272
12.2.2存储与展开性能/272
12.2.3极端环境影响/273
12.2.4结构设计与空间应用/274
12.2.5优化设计/274
12.2.6辅助装置/275
参考文献/276
附录A 22个最优设计点283
附录B 48个最优设计点284
附录C 第一类铺层方案设计点286
附录D 第二类铺层方案设计点288
附录E 有限元分析获得的数据集289
附录F 优于初始试样的112个设计点