复合材料带状弹簧铰链（CTSH）因其高比强度和高比刚度而广泛应用于航天器、卫星等空间结构中，成为一种重要的轻质结构连接器。通过在复合材料管中引入切口，CTSH获得了折叠和部署的能力，而进一步优化切口尺寸可以提升其性能。
然而，切口尺寸与CTSH动态部署性能之间的相互作用是一个新颖的话题。为了解决这个问题，该研究提出了一个多目标优化问题，旨在在保持质量不变的前提下，同时最小化CTSH的最大超调角和部署时间。
研究通过结合数据驱动代理模型和尺寸优化，实现了加速的尺寸优化。与初始设计相比，优化的CTSH设计在性能方面取得了显著改善，最大超调角降低了26.3%，部署时间缩短了12.6%。所提出的优化策略具有高度适应性，可以应用于各种优化问题，为未来设计具有良好性能的空间可部署结构提供了宝贵的见解。
图1 结构示意图。
该研究构建了包含 CTSH 的可展开桁架结构模型，并进行了动态展开实验。实验结果表明，切口尺寸对 CTSH 的折叠模式、展开时间和最大超调角均有显著影响。
研究团队基于 Abaqus/Explicit 有限元软件建立了 CTSH 的精细化数值模型，并进行了准静态折叠和动态展开模拟。模拟结果与实验数据吻合良好，验证了模型的准确性，并与实验数据进行了对比分析。
图2 CTSH在零重力卸载条件下的动态部署实验装置。
图 3 不同切口尺寸的 CTSH 的折叠模式。
研究团队利用拉丁超立方抽样方法构建了设计空间，并基于有限元分析数据建立了径向基函数 (RBF) 代理模型。该代理模型能够快速预测 CTSH 的性能，从而避免大量高保真度有限元分析的计算成本。
图4 有限元模型
该研究利用非支配排序遗传算法 II (NSGA-II) 对 CTSH 的切口尺寸进行了多目标优化，以最小化展开时间和最大超调角。优化结果表明，优化后的 CTSH 设计在展开时间和最大超调角方面均有显著提升，与初始设计相比，最大超调角降低了 26.3%，展开时间缩短了 12.6%。
图5 代理建模和优化过程的流程图。
图6 通过尺寸优化获得的最优切口设计
该研究通过实验、数值模拟和代理模型优化，揭示了切口尺寸对 CTSH 动态展开性能的影响，并实现了对 CTSH 尺寸的快速优化。优化后的 CTSH 设计在展开时间和最大超调角方面均有显著提升，为未来空间可展开结构的设计提供了重要参考。
该研究提出的代理模型优化框架具有通用性，可以扩展到其他可展开复合材料结构的优化问题，例如纤维取向和层合配置的优化。此外，该研究还强调了考虑复合材料损伤机制和粘弹塑性行为的重要性，以确保可展开结构的可靠性和安全性。
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