可展开结构及其应用

可展开结构及其应用宣讲人：ZhongYou（由衷）讲座名称：deployablestructuresandtheirapplications讲座时间：2011年1月9日，14：00讲座地点：哈工大科学园2F楼（南苑旁）214室专家介绍：由衷博士毕业于剑桥大学，现任教于牛津大学工程科学系。研究方向为可展开结构可展开结构是传统机构学的一个新研究前沿。因为此类结构能产生很大的几何形状变化，所以可在运输时被折叠、使用时被展开。可展结构是其在航天领域的名称；在民用和机械工程领域，它也被称为可伸缩或可折叠结构。在航天领域，卫星天线在发射状态下处于折叠状态，进入轨道后展开，其长时间的折叠储存状态、低温工作环境和发射振动对结构展开的可靠性提出要求。在医疗领域，治疗器在折叠状态下被运至病灶区后展开。可展结构的应用历史悠久，范围广泛，由于其易于储存、运输和组装的特性，成为了一个新的机构学研究前沿；其中蓄含的应用需求和数学背景使得这门学科成为工程研究和科学研究结合的典范。可展结构是一种新型的工程结构，其折叠展开自如的能力展现了一个崭新的应用前景。一些研究机构已经提出了许多可展结构工程样机，其中仅由刚性连杆和铰接转动副构成的X型可展结构，具有结构简单，结构几何单元一致性、重复性好，高刚度、高抗振及灵活的几何设计等特征，因此，在建筑工程，大型空间可展结构方面具有广泛的应用前景。可展结构另一种主要的作用是应用于可展开天线方面。其中铰接肋天线结构形式简单、折叠体积小（收纳率高）、有着较轻质量和更小的装载直径和高度，易于实现大型化。可展结构是机构和结构的综合体，是建筑工程和宇航工程研究十分活跃的领域。可展结构是一种可以自动展开，以获得外形尺寸增大的结构。通常，这种结构容易存贮和运输，当需要的时候，它们可以展开成工作状态。最常见的例子就是“伞结构。近些年来在宇航、建筑结构和军事工程等领域的应用越来越广泛，根据其用途不同可分为空间可展结构和地面可展结构。同时可展开结构在地球和太空中都有许多潜在的应用。空间可展结构是近三十至四十年内随着航天科技的发展而诞生的一种新型结构物，以高强度、高几何稳定性、超低热膨胀系数的材料作为构件的主要材料，在地面上处于收拢状态，固定于运载工具的有效荷载仓内，当它发射入轨后，根据地面的控制指令逐步完成展开动作。然后锁定并保持为运营工作状态。这种结构形式的出现极大的提高了航天器的运载能力，同时也使得人类对太空的探索有了进一步的发展。可展结构的出现同时也推动了地面可展结构的发展，对于许多大型体育场馆，采用开启式结构形式可以满足许多特殊的需要，另外地面上的充气膜结构也属于可展结构的一种，随着材料科学的发展，充气结构也会得到更广泛的应用。对于许多临时和半永久性的建筑，可展结构由于具有可重复利用的显著优点，具有良好的经济指标，并且可展结构可以随着任务的变化而方便地转移，还可以设计成各种美观的造型。由于航天飞行器具有广阔的应用领域，包括通讯、观测服务、空间材料处理、能量利用、空间探索和国防等，所以备受各国重视，使最初简单的试验性卫星得以迅速发展成现代多功能复杂航天器。大型展开天线和太阳帆是大型空间可展结构研究最活跃、深入的领域。美国航天局NASA于七十年代后期在其近期、远期发展规划中提出了各种形式的展开天线，并对概念设计、分析理论方法、具体应用设计技术开发进行了系统深入的研究。俄罗斯航天局RSSI也在可展结构设计发展应用上做出了卓越贡献，尤其在“和平号空间站上。欧空局ESA在其卫星发展计划中也对可展结构技术进行了深入的研究。日本宇宙科学研究所ISAS和日本宇宙事业开发团NASDA是世界宇航界的后起之秀，也是当今最好的空问结构研究机构之一，在展开折叠技术研究应用上取得了巨大进步。加拿大和印度等国家也在空间可展结构技术方面发展了自己的技术。空间可展结构的形式多种多样，而且包含的内容也很庞大，经过几十年的研究，许多国家在空间可展结构方面已经取得了长足的进步，并已经有了许多成功应用的先例。通过总结我们可以将可展结构大体分为以下六种类型：张拉结构、三重对称连杆结构、多边形多面体结构、可收缩平面结构、可展张拉压杆结构和X型可展结构