在航空航天中，为了节省空间和降低发射成本，充气太空舱被广泛研究。它们可以在发射前紧密折叠，并在太空中充气展开，为宇航员和航天设备提供较大的封闭空间。目前的充气太空舱通常由多层软材料制成，在充气展开后仍需要进行刚化，来使结构整体有一定的强度、刚度和抵御复杂太空环境的能力。但目前的刚化技术无法同时满足高刚度和低热膨胀的要求。
        为此，天津大学陈焱教授和马家耀教授团队联合北京空间飞行器总体设计部提出了一种基于Kresling折纸图案的充气金属舱。通过有限元仿真和实验的方式研究了不同设计参数下金属舱的变形过程、塑性应变和展开比。
        首先，金属舱主体选用轴向折展比较大的Kresling折纸构型，当舱体由金属材料制作而成时，折痕部分不会是如图1(a)所示的一条线，而应该是具有一定宽度的圆弧。为了展现这一特征，Kresling圆柱的所有折痕都被如图1(b)所示的圆弧折痕替代。

图1 Kresling金属舱 (a)没有圆弧折痕，(b)有圆弧折痕

        接下来，建立了有限元模型，并用实验来验证数值模型的正确性。

图2 (a) 用于制作Kresling模型的阴阳模具；(b) 轴向压缩实验装置；(c)和(d) 实验和有限元仿真获得的力-位移曲线和变形过程之间的比较。

        通过对不同设计参数下的Kresling金属舱进行有限元仿真，分析了参数改变对Kresling金属舱折叠以及充气展开的变形过程、展开比以及最大塑性应变的影响。仿真结果表明设计参数主要通过改变圆弧折痕的数量及其半径进而影响Kresling金属舱的展开比和最大塑性应变。具体而言，最大塑性应变随着折痕总数的增加而减少，但大量折痕将导致较低的展开比。圆弧折痕半径的增加同样会降低展开比和最大塑性应变。

图3 (a) 折叠过程及其相应的等效塑性应变云图；(b) 折叠过程中典型六折痕顶点的等效塑性应变历程; (c)力-位移曲线。

图4 (a) 充气展开过程和相应的等效塑性应变云图；(b) 压力-位移曲线；(c) 充气展开过程中六折痕顶点的等效塑性应变历程。

        该成果已于2023年5月30日在线发表于国际力学著名期刊Thin-Walled Structures。为充气金属舱的设计提供了借鉴和参考。

M. Li, Z. Zhou, B. Hao, C. Yu, Y. Chen, J. Ma*, Design and deformation analysis of an inflatable metallic cylinder based on the Kresling origami pattern, Thin-Walled Struct. 188 (2023) 110859.
(https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.110859)