CN105000198A - 非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链及其制作方法 - Google Patents

Abstract

非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链及其制作方法，属于小卫星太阳能帆板展开的铰链领域。现有小卫星太阳能帆板展开用铰链成本高、且铰链本身应力无法被控制或抵消，导致铰链在展开过程中移位和控制不准确问题。非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，在圆管(1)的弯折段(2)设置两个腰形孔(3)形成主弯折薄壳(4)和副弯折薄壳(5)，主弯折薄壳(4)与副弯折薄壳(5)之间设置阻尼弹簧(6)；圆管(1)两端与W折板(8)的两端固定；其制作方法包括，设计腰形孔(3)穿孔方法，主弯折薄壳(4)与副弯折薄壳(5)之间设置阻尼弹簧(6)，确定圆管(1)铰链展开角度。具有展开过程平稳、成本低、寿命长、精度高优点。

Description

非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链及其制作方法。

背景技术

现有小卫星太阳能帆板的展开用铰链，在展开过程中由于选用材料和结构设计不合理原因，由于铰链本身应力无法被控制或抵消，导致使铰链在展开过程中移位和控制不准确问题，影响设备后续工作的正常进行。现有展开铰链多为机械展开铰链，采用电机进行驱动展开，结构只能单向伸展，收缩结构不紧凑，结构复杂，技术难度大，铰链的价格很高，发射质量较大；铰链展开大多为固定角度，同时展开过程中存在本体振动问题，对太阳能帆板等产生影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有小卫星太阳能帆板的展开用铰链成本高、且铰链本身应力无法被控制或抵消，导致使铰链在展开过程中移位和控制不准确的问题，而提出一种非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链及其制作方法。

一种非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其组成包括：圆管，所述圆管的弯折段管壁上并排设置两个腰形孔，每个腰形孔沿圆管轴线方向延长，圆管的弯折段管壁被分割形成主弯折薄壳和副弯折薄壳，主弯折薄壳的横截面所在的圆弧为优弧，副弯折薄壳的横截面所在的圆弧为劣弧，主弯折薄壳与副弯折薄壳之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹簧；

圆管的两个延伸段与W折板相对应的一端固定连接；

圆管的一个末端通过A锁块固定安装A锁条，且A锁条表面具有卡槽，圆管的另一个末端通过B锁块固定安装B锁槽，B锁槽内部插装两块电磁铁，每块电磁铁分别连接卡头和电源接头，A锁条与卡头配合形成阶梯式扣锁；其中，

圆管弯折段展开后，两延伸段中轴线夹角为α，90°≤α≤180°；

圆管弯折后形成U形的管状铰链存储的稳定展开力矩M是圆心角θ₁对应的主弯折薄壳的弯折力矩与圆心角θ₂对应的副弯折薄壳的弯折力矩之和，表达式为： $M=\frac{{\mathrm{Et}}^3}{12(1-{\mathrm{\ν}}^2)}(1+\mathrm{\ν}){\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{Et}}^3}{12(1-{\mathrm{\ν}}^2)}(-1+\mathrm{\ν}){\mathrm{\θ}}_2,$ 式中，M表示管状铰链存储的稳定展开力矩，E表示圆管弹性模量，t表示圆管厚度，ν表示圆管泊松比，θ₁表示圆管未弯折时主弯折薄壳的横截面所在的优弧对应的圆心角，θ₂表示圆管未弯折时副弯折薄壳的横截面所在的劣弧对应的圆心角。

一种非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链的制作方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、采用两层碳纤维分别与预成型的圆管的轴线成0°和90°的方式复合；

步骤二、设计圆管的弯折段上腰形孔的穿孔方法：

在圆管中部弯折段穿两个腰形孔，令腰形孔的延长方向与圆管的中轴线平行，且腰形孔的腰长L至少是腰形孔的宽度d的3倍，即L≥3d，且D>d；

步骤三、弯折段主弯折薄壳、副弯折薄壳的非对称设计：

圆管中部弯折段穿两个腰形孔后形成主弯折薄壳和副弯折薄壳，主弯折薄壳的横截面所在的优弧的高度Wo，至少是副弯折薄壳的横截面所在的劣弧的高度的1.5倍，即：D>Wo≥1.5Wi，主弯折薄壳作为外弯侧，副弯折薄壳作为内弯侧，以圆管弯折段中部的主弯折薄壳外壁为中心，主弯折薄壳包裹副弯折薄壳进行弯折，形成U型；

步骤四、在弯折段的主弯折薄壳与副弯折薄壳之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹簧；

步骤五、圆管的一个末端通过A锁块固定安装A锁条，且A锁条表面具有卡槽，圆管的另一个末端通过B锁块固定安装B锁槽，B锁槽内部插装两块电磁铁，每块电磁铁分别连接卡头和电源接头，A锁条与卡头配合形成阶梯式扣锁；控制铰链展开；

步骤六、确定圆管铰链展开角度：

在圆管两个延伸段的外壁之间通过法兰固定安装W折板，两个法兰在两个延伸段的固定点分别为点O₁和点O₂，W折板展开长度l为点O₁和点O₂之间的直线距离，即：W折板的展开部位具有阻尼，控制管状铰链展开速度，以及展开后的给定角度；并通过设定W折板的长度实现铰链展开形成不同角度，设计展开特定角度90°-180°；

步骤七、确定管状铰链稳定展开力矩M与弯折后主弯折薄壳外壁对应形成的圆心角θ₁和弯折后副弯折薄壳外壁对应形成的圆心角θ₂之间的关系为表达式：

$M=\frac{{\mathrm{Et}}^3}{12(1-{\mathrm{\ν}}^2)}(1+\mathrm{\ν}){\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{Et}}^3}{12(1-{\mathrm{\ν}}^2)}(-1+\mathrm{\ν}){\mathrm{\θ}}_2;$ 式中，M表示管状铰链稳定展开力矩，E表示圆管弹性模量，t表示圆管厚度，ν表示圆管泊松比，θ₁表示弯折后主弯折薄壳外壁对应形成的圆心角，θ₂表示弯折后副弯折薄壳外壁对应形成的圆心角。

本发明的有益效果为：

本发明是设计一种用于太空展开装置如小卫星太阳能帆板的展开的低成本铰链，该铰链采用碳纤维复合材料圆管经过弯曲折叠后加以固定，通过碳纤维复合材料管本身存在的实现自动、可控、阻尼行展开需要的应力。当教练具有压紧具有应力后，通过铰链两端有异性的A锁块与B锁块之间的引力与弯折后回复力矩相平衡，当需要展开时，使两端电磁铁引力消失，铰链运动展开，并且由圆管两端的延伸段外壁设置的W折板控制角度展开速度和角度展开的程度，逐步释放回弹角度。圆管内部，主弯折薄壳与副弯折薄壳之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹簧，起到展开过程平衡薄柱壳回复力矩的作用，使整个管状铰链具有展开过程平稳、操作简单、成本低、工作可靠和精度高的优点。

同时，铰链采用多展开角度设计方法，同时引入阻尼结构降低展开过程中的振动，增加使用寿命寿命长。

附图说明

图1为本发明涉及的具有腰形孔的圆管；

图2为本发明涉及的圆管弯折成管状铰链的结构示意图；

图3为本发明涉及的圆管铰链展开成90°构型的结构示意图；

图4为本发明涉及的圆管铰链展开成120°构型的结构示意图；

图5为本发明涉及圆管未折叠状态的O点处的非对称薄壳横截面结构示意图；

图中，1为，2为弯折段，3为腰形孔，4为主弯折薄壳，5为副弯折薄壳，6为阻尼弹簧，7为延伸段，8为W折板，9为A锁块，10为A锁条，11为B锁块，12为B锁槽，13为电磁铁，14为卡头，15为电源接头。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，如图2所示，其组成包括：圆管1，所述圆管1的弯折段2管壁上并排设置两个腰形孔3，每个腰形孔3沿圆管1轴线方向延长，圆管1的弯折段2管壁被分割形成主弯折薄壳4和副弯折薄壳5，主弯折薄壳4的横截面所在的圆弧为优弧，副弯折薄壳5的横截面所在的圆弧为劣弧，腰形孔3为非对称设置，主弯折薄壳4与副弯折薄壳5之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹簧6，抵消管状铰链完全展开的瞬时冲击力；

圆管1的两个延伸段7与W折板8相对应的一端固定连接；

圆管1的一个末端通过A锁块9固定安装A锁条10，且A锁条10表面具有卡槽，圆管1的另一个末端通过B锁块11固定安装B锁槽12，B锁槽12内部插装两块电磁铁13，每块电磁铁13分别连接卡头14和电源接头15，A锁条10与卡头14配合形成阶梯式扣锁，实现圆管弯折形成U型后的固定，展开时解锁后直接展开；其中，

圆管1弯折段2展开后，两延伸段7中轴线夹角为α，90°≤α≤180°；

圆管1弯折后形成U形的管状铰链存储的稳定展开力矩M是圆心角θ₁对应的主弯折薄壳4的弯折力矩与圆心角θ₂对应的副弯折薄壳5的弯折力矩之和，表达式为： $M=\frac{{\mathrm{Et}}^3}{12(1-{\mathrm{\ν}}^2)}(1+\mathrm{\ν}){\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{Et}}^3}{12(1-{\mathrm{\ν}}^2)}(-1+\mathrm{\ν}){\mathrm{\θ}}_2,$ 式中，M表示管状铰链存储的稳定展开力矩，E表示圆管弹性模量，t表示圆管厚度，ν表示圆管泊松比，θ₁表示圆管1未弯折时主弯折薄壳4的横截面所在的优弧对应的圆心角，θ₂表示圆管1未弯折时副弯折薄壳5的横截面所在的劣弧对应的圆心角。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，主弯折薄壳4的横截面所在的优弧，是副弯折薄壳5的横截面所在的劣弧长度的1.5-3倍，且主弯折薄壳4的横截面所在的优弧的高度Wo，至少是副弯折薄壳5的横截面所在的劣弧的高度Wi的1.5倍，即：D>Wo≥1.5Wi；其中，D表示圆管1的直径。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，所述腰形孔3的腰长L至少是腰形孔3的宽度d的3倍，即：L≥3d。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，所述W折板8的两端分别通过法兰固定安装在圆管1延伸段7上的点O₁和点O₂上；其中，点O₁和点O₂距离圆管1末端的长度为延伸段7长度的1/4～1/3，点O₁和点O₂之间的直线距离为

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，通过设定W折板8的长度实现铰链展开形成不同角度，即可以展开成120°。使其满足所控制的帆板的展开角度的需求。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，通过设定W折板8的长度实现铰链展开形成不同角度，即可以展开成150°。使其满足所控制的帆板的展开角度的需求。

具体实施方式七：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，W折板8由n个相同长度的单连杆连接组成，W折板8的展开长度为l，其中，

12≥n≥4，且每个单连杆的长度为l₀，则：

W折板8的总长度l与单连杆的长度l₀之间的关系为l＝n l₀，

W折板8的总长度l与点O和点O₂之间的直线距离的关系为：

$n{l}_0=2\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}\stackrel{\‾}{O{O}_2};$

例如，当时，使管状铰链展开成90°，如图3所示，

当时，使管状铰链完全展开成120°，

当时，使管状铰链完全展开成180°，如图4所示；

并且能够通过设置W折板8，使多连杆的展开部位具有阻尼，控制管状铰链展开速度，以及展开后的给定角度；并通过设定W折板8的长度实现铰链展开形成不同角度，即可以展开成90°-180°之间的角度。

具体实施方式八：

与具体实施方式七不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，每根所述阻尼弹簧6的两端分别通过法兰固定安装在主弯折薄壳4与副弯折薄壳5之间相对侧的内壁上；其中，阻尼弹簧6为对称的拉伸形闭式塔簧，阻尼弹簧6的自由高度为D/15～D/10；阻尼弹簧6的展开长度大于圆管1的直径D，阻尼弹簧6的刚度K满足：10N/mm≥K≥0.5N/mm。

具体实施方式九：

与具体实施方式一、二、四、六或八不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，所述圆管1的厚度为0.10～0.25mm，圆管1的最小曲率半径为10mm～20mm，起到降低生产成本的好处。

具体实施方式十：

与具体实施方式九不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，所述圆管1采用两层碳纤维复合形成，且每层碳纤维与圆管1的中轴线分别成0°和90°夹角。

具体实施方式十一：

本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链的制作方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、采用两层碳纤维分别与预成型的圆管1的轴线成0°和90°的方式复合；

步骤二、设计圆管1的弯折段2上腰形孔3的穿孔方法：

在圆管1中部弯折段2穿两个腰形孔3，令腰形孔3的延长方向与圆管1的中轴线平行，且腰形孔3的腰长L至少是腰形孔3的宽度d的3倍，即L≥3d，且D>d；

步骤三、弯折段2上主弯折薄壳4、副弯折薄壳5的非对称设计：

圆管1中部弯折段2穿两个腰形孔3后形成主弯折薄壳4和副弯折薄壳5，主弯折薄壳4的横截面所在的优弧的高度Wo，至少是副弯折薄壳5的横截面所在的劣弧的高度的1.5倍，即：D>Wo≥1.5Wi，主弯折薄壳4作为外弯侧，副弯折薄壳5作为内弯侧，以圆管1弯折段2中部的主弯折薄壳4外壁为中心，主弯折薄壳4包裹副弯折薄壳5进行弯折，形成U型；

步骤四、在弯折段2的主弯折薄壳4与副弯折薄壳5之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹簧6，抵消管状铰链完全展开的瞬时冲击力，实现弹性展开与弹簧拉伸之间的平衡设计；

步骤五、圆管1的一个末端通过A锁块9固定安装A锁条10，且A锁条10表面具有卡槽，圆管1的另一个末端通过B锁块11固定安装B锁槽12，B锁槽12内部插装两块电磁铁13，每块电磁铁13分别连接卡头14和电源接头15，A锁条10与卡头14配合形成阶梯式扣锁；控制铰链展开；

步骤六、确定圆管1铰链展开角度：

在圆管1的两个延伸段7的外壁之间通过法兰固定安装W折板8，两个法兰在两个延伸段7的固定点分别为点O₁和点O₂，W折板8展开长度l为点O₁和点O₂之间的直线距离，即：通过设置W折板8，使多连杆的展开部位具有阻尼，控制管状铰链展开速度，以及展开后的给定角度；并通过设定W折板8的长度实现铰链展开形成不同角度，设计展开特定角度90°-180°；

步骤七、确定管状铰链稳定展开力矩M与主弯折薄壳4弯折后形成的圆心角θ₁和副弯折薄壳5弯折后形成的圆心角θ₂之间的关系为表达式：

$M=\frac{{\mathrm{Et}}^3}{12(1-{\mathrm{\ν}}^2)}(1+\mathrm{\ν}){\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{Et}}^3}{12(1-{\mathrm{\ν}}^2)}(-1+\mathrm{\ν}){\mathrm{\θ}}_2;$ 式中，M表示管状铰链稳定展开力矩，E表示圆管弹性模量，t表示圆管厚度，ν表示圆管泊松比，θ₁表示弯折后主弯折薄壳外壁对应形成的圆心角，θ₂表示弯折后副弯折薄壳外壁对应形成的圆心角。

具体实施方式十二：

与具体实施方式十一不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，步骤六所述通过设定W折板8的长度实现铰链展开形成不同角度，设计展开特定角度120°。

具体实施方式十三：

与具体实施方式十一或十二不同的是，本实施方式的非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，步骤六所述通过设定W折板8的长度实现铰链展开形成不同角度，设计展开特定角度150°。

工作原理：

在圆管的弯折段的管壁上并排设置两个腰形孔，每个腰形孔沿圆管轴线方向延长，将圆管的弯折段管壁分割成主弯折薄壳和副弯折薄壳，形成直线性非对称开口圆管薄壳，主弯折薄壳与副弯折薄壳之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹簧，圆管的两个延伸段的分别与W折板的两端固定连接，形成管状铰链；以圆管弯折段中部的主弯折薄壳外壁为中心，副弯折薄壳包裹主弯折薄壳进行弯折，管状铰链被弯折180度角后压紧形成转动铰链，由于圆管的主弯折薄壳的宽度大于副弯折薄壳的宽度，则其具有的应力具有相同对应关系，圆管弯后外侧的主弯折薄壳深度大于内侧的副弯折薄壳的深度，使副弯折薄壳易折叠弯曲，深度大的外侧的主弯折薄壳能避免展开完成瞬间的冲击力；压紧后通过铰链两端有异性的A锁块与B锁块之间的引力与弯折后回复力矩相平衡，当需要展开时，B锁槽内两组正负极电源接头连接电源，只需要一个电源信号，通过电磁铁把三角形状的卡头从卡槽内拔出，A锁块的A锁条被释放，从而通过非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，使两端电磁铁引力消失，铰链运动展开，并且由圆管两端的延伸段外壁设置的W折板控制角度展开速度和角度展开的程度，逐步释放回弹角度。圆管内部，主弯折薄壳与副弯折薄壳之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹簧，起到展开过程平衡薄柱壳回复力矩的作用，使整个管状铰链具有展开过程平稳、操作简单、成本低、工作可靠、寿命长、精度高的优点。

Claims (10)

1.一种非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其组成包括：圆管(1)，其特征在于：所述圆管(1)的弯折段(2)管壁上并排设置两个腰形孔(3)，每个腰形孔(3)沿圆管(1)轴线方向延长，圆管(1)的弯折段(2)管壁被分割形成主弯折薄壳(4)和副弯折薄壳(5)，主弯折薄壳(4)的横截面所在的圆弧为优弧，副弯折薄壳(5)的横截面所在的圆弧为劣弧，主弯折薄壳(4)与副弯折薄壳(5)之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹簧(6)；

圆管(1)的两个延伸段(7)与W折板(8)相对应的一端固定连接；

圆管(1)的一个末端通过A锁块(9)固定安装A锁条(10)，且A锁条(10)表面具有卡槽，圆管(1)的另一个末端通过B锁块(11)固定安装B锁槽(12)，B锁槽(12)内部插装两块电磁铁(13)，每块电磁铁(13)分别连接卡头(14)和电源接头(15)，A锁条(10)与卡头(14)配合形成阶梯式扣锁；其中，

圆管(1)的弯折段(2)展开后，两延伸段(7)中轴线夹角为α，90°≤α≤180°；

圆管(1)弯折后形成U形的管状铰链存储的稳定展开力矩M是圆心角θ₁对应的主弯折薄壳(4)的弯折力矩与圆心角θ₂对应的副弯折薄壳(5)的弯折力矩之和，表达式为： 式中，M表示管状铰链存储的稳定展开力矩，E表示圆管弹性模量，t表示圆管厚度，ν表示圆管泊松比，θ₁表示圆管(1)未弯折时主弯折薄壳(4)的横截面所在的优弧对应的圆心角，θ₂表示圆管(1)未弯折时副弯折薄壳(5)的横截面所在的劣弧对应的圆心角。

2.根据权利要求1所述非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其特征在于：主弯折薄壳(4)的横截面所在的优弧，是副弯折薄壳(5)的横截面所在的劣弧长度的1.5-3倍，且主弯折薄壳(4)的横截面所在的优弧的高度Wo，至少是副弯折薄壳(5)的横截面所在的劣弧的高度Wi的1.5倍，即：D>Wo≥1.5Wi；其中，D表示圆管(1)的直径。

3.根据权利要求1或2所述非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其特征在于：所述腰形孔(3)的腰长L至少是腰形孔(3)的宽度d的3倍，即：L≥3d。

4.根据权利要求3所述非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其特征在于：所述W折板(8)的两端分别通过法兰固定安装在圆管(1)延伸段(7)上的点O₁和点O₂上；其中，点O₁和点O₂距离圆管(1)末端的长度为延伸段(7)长度的1/4～1/3，点O₁和点O₂之间的直线距离为

5.根据权利要求1、2或4所述非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其特征在于：圆管(1)的弯折段(2)展开后，两延伸段(7)中轴线夹角为120°。

6.根据权利要求5所述非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其特征在于：W折板(8)由n个相同长度的单连杆连接组成，W折板(8)的展开长度为l，其中，

12≥n≥4，且每个单连杆的长度为l₀，则：

W折板(8)的总长度l与单连杆的长度l₀之间的关系为l＝n l₀，

W折板(8)的总长度l与点O和点O₂之间的直线距离O O₂的关系为：

7.根据权利要求1、2、4或6所述非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其特征在于：每根所述阻尼弹簧(6)的两端分别通过法兰固定安装在主弯折薄壳(4)与副弯折薄壳(5)之间相对侧的内壁上；其中，阻尼弹簧(6)为对称的拉伸形闭式塔簧，阻尼弹簧(6)的自由高度为D/15～D/10；阻尼弹簧(6)的展开长度大于圆管(1)的直径D，阻尼弹簧(6)的刚度K满足：10N/mm≥K≥0.5N/mm。

8.根据权利要求7所述非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其特征在于：所述圆管(1)的厚度为0.10～0.25mm，圆管(1)的最小曲率半径为10mm～20mm。

9.根据权利要求1、2、4、6或8所述非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链，其特征在于：所述圆管(1)采用两层碳纤维复合形成，且每层碳纤维与圆管(1)的中轴线分别成0°和90°夹角。

10.一种非对称薄壳弹性阻尼展开的管状铰链的制作方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、采用两层碳纤维分别与预成型的圆管(1)的轴线成0°和90°的方式复合；

步骤二、设计圆管(1)的弯折段(2)上腰形孔(3)的穿孔方法：

在圆管(1)中部弯折段(2)穿两个腰形孔(3)，令腰形孔(3)的延长方向与圆管(1)的中轴线平行，且腰形孔(3)的腰长L至少是腰形孔(3)的宽度d的3倍，即L≥3d，且D>d；

步骤三、弯折段(2)上主弯折薄壳(4)、副弯折薄壳(5)的非对称设计：

圆管(1)中部弯折段(2)穿两个腰形孔(3)后形成主弯折薄壳(4)和副弯折薄壳(5)，主弯折薄壳(4)的横截面所在的优弧的高度Wo至少是副弯折薄壳(5)的横截面所在的劣弧的高度的1.5倍，即：D>Wo≥1.5Wi，主弯折薄壳(4)作为外弯侧，副弯折薄 壳(5)作为内弯侧，以圆管(1)的弯折段(2)中部的主弯折薄壳(4)外壁为中心，主弯折薄壳(4)包裹副弯折薄壳(5)进行弯折，形成U型；

步骤四、在弯折段(2)的主弯折薄壳(4)与副弯折薄壳(5)之间相对侧的内壁上设置两根阻尼弹簧(6)，抵消管状铰链完全展开的瞬时冲击力；

步骤五、圆管(1)的一个末端通过A锁块(9)固定安装A锁条(10)，且A锁条(10)表面具有卡槽，圆管(1)的另一个末端通过B锁块(11)固定安装B锁槽(12)，B锁槽(12)内部插装两块电磁铁(13)，每块电磁铁(13)分别连接卡头(14)和电源接头(15)，A锁条(10)与卡头(14)配合形成阶梯式扣锁；控制铰链展开；

步骤六、确定圆管(1)铰链展开角度：

在圆管(1)两个延伸段(7)的外壁之间通过法兰固定安装W折板(8)，两个法兰在两个延伸段(7)的固定点分别为点O₁和点O₂，W折板(8)展开长度l为点O₁和点O₂之间的直线距离，即：W折板(8)的展开部位具有阻尼，控制管状铰链展开速度，以及展开后的给定角度；并通过设定W折板(8)的长度实现铰链展开形成不同角度，设计展开特定角度90°-180°；

步骤七、确定管状铰链稳定展开力矩M与主弯折薄壳(4)弯折后形成的圆心角θ₁和副弯折薄壳(5)弯折后形成的圆心角θ₂之间的关系为表达式：

式中，M表示管状铰链稳定展开力矩，E表示圆管弹性模量，t表示圆管厚度，ν表示圆管泊松比，θ₁表示弯折后主弯折薄壳外壁对应形成的圆心角，θ₂表示弯折后副弯折薄壳外壁对应形成的圆心角 。