对比常规的直线铺设复合材料层合板,变刚度多稳态复合材料层合结构的纤维角度、材料属性和层数并不固定,给科研工作者提供了极大的设计空间。和常规的纤维直线铺设复合材料层合板比较,变刚度多稳态复合材料层合结构有许多优点:合理分布应力,减轻结构质量以及具有极大的设计自由度,通过有效的组合获得两种或两种以上的稳定状态,并通过智能控制材料、湿度温度载荷或者机械载荷等外在驱动方式进行不同稳态间的转变。以上优点,使变刚度多稳态复合材料层合结构在空间延展变形装置、赛车定风翼和大型风力叶片等许多领域具有广泛的应用需求。受特征参数变化影响,变刚度多稳态复合材料结构在实际应用过程中出现了许多新的问题,深入了解特征参数对变刚度多稳态复合材料结构影响规律对于新型复合材料结构的发展至关重要。本文主要通过理论、有限元数值模拟和实验研究对变刚度多稳态复合材料层合结构进行了研究,获得了铺设角度、材料属性、层数和湿度参数影响规律,并以特定场合下人体手肘、膝盖康复过程进行分析,对变刚度多稳态复合材料结构在人体外骨骼的潜在应用进行相关研究。主要研究内容如下:1.基于经典层合板理论建立变刚度多稳态复合材料层合结构的理论稳态构型,并预测了不同的稳态形状和稳态中面曲线位置。理论模型显示,反/正/反型变刚度多稳态复合材料层合结构第一稳态呈现中间弯曲、两边平直的状态;第二稳态中间弯曲,但曲率方向与第一稳态相反,两端也呈现弯曲状态,曲率方向与中间部分相反。正/反/正型变刚度多稳态复合材料层合结构第一稳态在左右两侧有较大的扭转现象,左右两侧的曲率方向与中间凸起部分曲率方向相反;第二稳态在左右两侧平直,在中间部分有扭转。2.为研究特征参数对变刚度多稳态复合材料层合结构在稳态转变过程中的影响规律,通过有限元方法研究了铺设角度、材料属性、层数和湿度的影响规律。研究表明,在反/正/反型试件中,层数较小的试件稳态到达第二稳态时的位移数值大于层数多的试件。而伴随着层数的变多,最大载荷数值在增大。正/反/正型试件到达第二稳态的位移随层数的增大而变大。湿度对反/正/反型试件最大载荷影响明显,随着湿度变大,最大位移减小。湿度不影响正/反/正型试件在稳态转变过程中的载荷-位移曲线趋势,但随着湿度变化的增大,试件的最大载荷与最大位移均变大。3.对实验试件进行稳态转变实验,获得载荷位移-曲线。采用热压冷却法制备表面平顺完整、稳态可保持的实验试件。通过实验方法,利用经改装的拉伸试验机测试平台得到变刚度多稳态复合材料结构在稳态转变之间的载荷-位移曲线,验证了铺设角度、材料属性、层数和湿度对变刚度多稳态复合材料结构变化规律,反/正/反型试件的最大载荷位移略大于正/反/正型试件。材料属性不会改变相同铺设角度的载荷—位移曲线变化趋势。层数对变刚度多稳态复合材料层合结构的载荷—位移曲线不同,反/正/反型和正/反/正型试件变化规律相反。湿度可同时改变最大载荷数值和转变到第二稳态时的位移。4.对变刚度多稳态复合材料结构在人体外骨骼中的应用进行初期探索性研究。当手肘、膝盖保持弯曲状态时,变刚度试件处于一个稳态构型;当手肘、膝盖转过一定角度保持伸直状态时,变刚度试件处于另一个稳态构型。由于固定的材料属性、铺设角度、层数及湿度环境导致变刚度试件在每个稳态具有固定的外形,通过测量每个试件在稳态时的夹角,确定试件在人体外骨骼中的应用性,展现了复合材料在人体外骨骼结构广泛应用前景。