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空天双稳态可展开结构具有伸展、卷拢两种稳态构型，无需外加能动系统即可在应变能作用下实现自动展开，对变体飞行器、柔性机器人、柔性太阳翼等空天折展机构的轻量化、智能化设计制造有重大战略意义。美国利用双稳态可展开结构设计制造的卷轴式柔性太阳翼（ROSA），已在国际空间站和微小卫星（DART）成功部署（Daly et al., Nature 2023）。然而，传统复合材料成型方法制备的双稳态可展开结构，其形变机制单一，限制了柔性空天机构模块化、体系化设计制造对可展开结构强度和形变驱动的定制化、智能化发展需求。 福州大学福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室副主任，王冰教授团队，近期在Thin-Walled Structures、Polymer Composites、Smart Materials and Structures、International Journal of Solids and Structures连续发表研究论文，系统揭示了双稳态可展开结构的强度设计理论及其智能驱动机理，已形成自主设计和应用开发能力。  图1 双稳态可展开结构的典型构型及其应用 提出双稳态可展开结构强度设计和形变调控的预应力理论。首先设计并搭建了双向纤维预应力装置，制备出具有不同预应力水平的双稳态可展开结构，并对其形变特性进行了表征；建立了结构形变的有限元分析模型，揭示了纤维预应力对可展开结构形变的应力演化机制；建立了结构的应变能分析模型，阐明了纤维预应力对结构稳态的作用机理，形成了双稳态可展开结构强度的定制化设计理论。研究成果为可展开结构强度的精确设计与卷展形变调控提供新理论，满足新型空天折展结构强度的定制化发展需求，于2025年2月发表在中科院一区力学TOP期刊Thin-Walled Structures，标题：On tailoring morphing mechanics of a bistable composite cylindrical shell through elastic fibre prestressing；原文链接：https:///10.1016/j.tws.2024.112747  图2 双稳态可展开结构的预应力调控理论 提出双稳态可展开结构的智能热驱动机理。系统研究了可展开结构在环境温度变化下由于热胀系数不匹配导致的微观膨胀和收缩效应，对结构宏观曲率的影响机制；建立了基于热效应的可展开结构应变能演化分析模型，确立了结构形变的最小应变能路径，揭示了结构智能驱动的临界边界条件；通过实验和有限元分析，进一步阐明了可展开结构的智能热驱动形变机理。研究成果为双稳态可展开结构的智能驱动设计提供了一种新型低成本、简单可控的智能触发驱动方法，满足新型空天折展结构的智能化发展需求，于2025年2月发表在中科院一区力学TOP期刊Thin-Walled Structures，标题：Passive thermal driving mechanics of a bistable composite tape-spring；原文链接：https:///10.1016/j.tws.2025.113057  图3 双稳态可展开结构的智能热驱动 揭示了复合材料黏弹性效应对双稳态结构稳态和形变机制的调控机理。利用连续纤维的3D打印技术，设计制备了具有不同纤维间距的双稳态结构，通过调控网格密度来控制结构的黏弹性效应；建立了双稳态结构的稳态理论模型，并通过微观、亚微观、宏观有限元分析，系统揭示了黏弹性效应对双稳态结构稳态和形变的调控机制。结果表明，结构在厚度方向上的非对称面内应力主导了结构的双稳态特性，且存在一个应力阈值，以维持结构的双稳态特征。研究成果有望促进薄壁复合材料结构稳态的定制化设计制造，并推动面向未来空天结构的尺寸适应性发展需求，于2025年2月发表在中科院二区/JCR一区期刊Polymer Composites，标题：Viscoelastic mechanics of a bistable composite cylindrical structure；原文链接：https:///10.1002/pc.29644  图4 双稳态结构的黏弹性调控机制 提出了双稳态结构的智能磁驱动机理，并实现了基于磁场调控的智能触发驱动。通过在双稳态结构中引入磁响应区域，设计制备了磁驱动的智能双稳态结构；建立了磁-力相互作用的理论模型，揭示了双稳态结构在磁致驱动下的形变机制；构建了智能双稳态结构设计参数与临界磁场强度的本征关系。结果表明，存在一个最佳的磁响应区域设计，以最小化形变响应时间和能量；通过理论分析建立了电流和气隙的临界边界条件，并通过实验进行了验证。研究成果为双稳态结构的智能驱动与变形控制提供新理论，有望推动双稳态结构的智能化驱动设计，于2025年4月发表在JCR一区期刊Smart Materials and Structures，标题：Magnetic driving mechanics of a bistable composite cylindrical structure；原文链接：https:///10.1088/1361-665X/adce66  图5 双稳态可展开结构的智能磁驱动变形机理 提出采用双稳态可展开结构，利用双螺旋结构设计，制备出一种新型双稳态可扭转结构，在大变形作用下，可实现稳态扭转，并揭示了几何曲率效应诱导的结构扭转形变机制。结果表明，铺层结构的正交各向异性赋予螺旋结构的双稳态特性，几何曲率可显著提升双螺旋结构的刚度和形变稳定性，并系统阐明了结构的扭转形变机理。研究成果为轻质高强扭转形变结构设计提供新方法，满足空天扭转结构的可靠性设计需求，于2025年4月发表在中科院二区/JCR一区力学期刊International Journal of Solids and Structures，标题：Geometric curvature effects-induced twisting mechanics of a double helical structure；原文链接：https:///10.1016/j.ijsolstr.2025.113369  图6 双稳态可扭转结构的形变机理 王冰，剑桥大学博士后，赫尔大学博士、博士后，现就职于福州大学机械学院，任福建省闽江学者特聘教授、博士生导师，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室副主任、学术委员会委员，国家人社部高层次留学人才（福建省人社厅2024年度唯一入选）。是中国机械工程学会材料分会青年委员，福建省机械工程学会常务理事，剑桥大学Clare Hall学院终身会员；担任四种SCI期刊客座编辑，《应用力学学报》客座编辑，多个国内外知名序列性学术会议大会主席、大会联合主席等职，Nature、Advanced Materials等五十余种SCI期刊审稿人。长期从事空天结构强度学研究，主要围绕双稳态可展开结构的跨尺度适应性、功能兼容性和驱动可靠性设计展开，位列科睿唯安WoS数据库“双稳态可展开结构（Bistable Tape Spring）”研究方向第一。近五年主持国家自然科学基金面上等项目5项，其中国家级项目3项，主研英国空天技术研究所、福建省科技重大专项等7项；以第一/通讯作者发表SCI论文六十余篇，其中JCR一区30篇，入选ESI高被引论文2篇，单篇最高被引500余次，出版英文学术专著3部、章节2章，申请发明专利20余件，获国自然工材学部机械设计与制造学科ICFDM2024十佳会议论文等奖项；多项科研成果实现转化，应用在空客A350，获英国EPSRC嘉奖。 |
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