重力梯度稳定装置是在轨卫星进行姿态稳定的实现技术之一,对该装置的伸展机构进行研究与优化一直以来都是该领域的重点方向。传统的依赖外部能源驱动展开的伸展机构给小型卫星的携载能力带来了极大挑战,因此研制出一种完全依靠装置本身内部能量的伸展机构尤为重要。薄壁伸展臂是空间可展机构的关键零部件,其在地面收拢后可以存储弹性应变能,卫星在轨时释放机构上对于薄壁管状伸展臂的约束后,伸展臂就会在自身弹性应变能的作用下逐渐恢复其原始形状,从而带动整个装置展开。本文将对伸展机构的整体进行结构上的设计,然后针对伸展机构的收拢过程以及展开过程进行了分析,研究了伸展臂的弯曲、屈曲力学行为,并通过实验验证了伸展机构的展开性能。主要研究内容如下:（1）根据本项目的相关要求设计了机构的整体结构并详细阐述了机构的工作原理。比较了不同截面形式的薄壁伸展臂的评价参数（质量/抗弯刚度）,经公式推导验证发现开口圆截面薄壁伸展臂的评价参数最为优秀,确定了截面形式为开口圆截面;以收拢后伸展臂能够存储的应变能大小为主要考量因素,且应变能的大小与材料的弹性模量大小成正比,在不考虑无磁性的情况下可以选定伸展臂的材料为弹性模量大的60Si2Mn,考虑无磁性时则可以选择QBe2。通过推导伸展臂收拢后的应力分布公式,再结合机构的体积限制,确定了伸展臂的厚度、截面半径以及收拢半径。（2）推导了开口圆截面伸展臂收拢后所能够存储的弹性应变能公式,并通过Abaqus软件对伸展机构的收拢过程进行了有限元模拟。根据有限元结果显示,伸展臂在收拢后的应力分布并非公式所体现的均匀分布,而是在伸展臂的两侧边界上应力值最小。以中间对称面为起始位置,向两侧的1/2处的截面应力值最大,是伸展臂在收拢过程中最有可能发生失效的位置。在收拢时,伸展臂收拢段存储的应变能与收拢长度、开口角度、弹性模量的值呈现出正比关系,与伸展臂的厚度的三次方呈现正比的关系。（3）使用Abaqus中的显式时间积分算法,对伸展机构的展开过程进行了有限元分析。首先释放掉机构的其余约束,只观察伸展臂本身的展开过程,发现伸展臂在展开过程中会出现扭转以及向卫星本体展开的趋势。然后对机构的整体展开过程进行了分析,发现机构的展开时间与机构上限位轴的间隙大小呈现出正比关系,同时也与伸展臂所存储的应变能呈现正比关系,且正向卷绕收拢的伸展臂机构可以顺利展开,而反向卷绕的则不行,由此确定了最终的卷绕方式为正向卷绕。最后针对实际加工缺陷可能带来的应力分布不均匀的伸展机构进行了展开仿真,发现应力分布不均匀可能会导致伸展臂展开后处于一个扭转的稳态中,产生摩擦自锁而不能完全恢复原状。（4）对伸展臂本身的弯曲、轴向屈曲性能进行了仿真分析,发现正向弯曲的抗弯性能明显弱于反向弯曲,轴向屈曲性能也因为开口的存在而相对于闭口截面产生了较大的下降。最后通过地面环境实验,验证了伸展机构的展开性能,实验表明本机构样机可以顺利展开,并且在伸展臂长度为1m的情况下,机构的展开总时间约为0.9s,速度慢于仿真结果,其原因是地面环境存在重力,带来了额外的摩擦阻力。