人造卫星必须装进一个紧凑的包装中。一颗卫星被发射进入轨道，独自继续其无人驾驶任务。它使用陀螺仪、高度推进器和磁铁来调节阳光照射，并保持指向正确的方向。一旦稳定，卫星依靠太阳能电池板为其内部电池充电，使用镜子和透镜进行数据采集，以及使用天线进行通信来监控飞行。无论是面包片大小的纳米望远镜，还是校车大小的哈勃望远镜，每颗卫星都容易受到太阳风、地球阴影(或深空)冻结和微小小行星产生的静电的影响。
MARSIS卫星接近火星，其中一个复合天线臂已经展开，另一个正在展开。图片由欧洲航天局提供。
在这样一个危险的环境中，普通卫星的功能寿命是有限的。据估计，在地球轨道上的任何时候都有2000多颗卫星，但它们的拥有者必须不断地更换昂贵的卫星。因此，航空航天工程师们不断努力研制出更小、更轻、制造成本更低、但仍能胜任其高科技工作的卫星。
臂架试验的并排图像Abaqus有限元模型验证了仿真的准确性。
关键硬件如太阳帆、太阳能聚光器和反射天线的大小在一定程度上受到每个卫星的重量和积载能力的限制。但要想正常工作，很多硬件需要在携带它的宇宙飞船之外扩展。目标是设计一旦卫星就位就能展开的可展开结构。通过这种方式，一大块硬件可以被压缩成一个用于运输的小配置，然后在太空中扩展到可操作的尺寸。
许多卫星使用电机和齿轮来完成硬件的机械部署，但其他设计依赖于自我部署，在压缩过程中使用存储在硬件本身的能量。
可展开充气吊杆试验德国航空航天中心(DLR)复合材料结构和自适应系统研究所的一个团队在大西洋上空一架空客A300零重力飞机上进行了这项研究。
由柔性复合材料制成的自展开吊杆曾用于欧洲航天局火星快车飞船(MARSIS)的天线，目前正在为一些未来的卫星任务设计。这种吊杆重量轻，容易折叠，价格便宜，与传统的电动设计相比，对摩擦相当敏感。
这种类型的结构已经提出了几十年，但它们的行为——高度非线性几何变形、屈曲、动力断裂，等等——很难量化和预测。因此，早期的吊杆部件通常是通过重复的、昂贵的物理实验来改进的。
“但现在我们可以用逼真的模拟精确地描绘这些特征，”加州理工学院空间结构实验室(Space Structures Laboratory of the California Institute of Technology)的博士后学者钦塔卡·马利克拉奇奇(Chinthaka Mallikarachchi)说。“我们可以通过有限元(FE)模拟优化自展开臂架的结构设计，并仅对最终设计进行物理测试。由于在地球上对将部署在太空零重力真空中的结构进行地面测试要么非常困难，要么非常昂贵，这种虚拟测试是我们面临的许多挑战的答案。”
Mallikarachchi在过去几年的工作是模拟碳纤维增强的臂架，可以折叠在航天器周围，几乎完全使用来自SIMULIA的Abaqus Unified FEA，达索Systèmes的品牌进行真实仿真。“SIMULIA的学术包对我们进行这类研究很有帮助，”他说。“我们在Abaqus/CAE中大量使用了网格划分和可视化功能。Abaqus/Explicit求解器对我们来说是最重要的功能，因为它准确地捕捉了boom设计的所有复杂性。通用联系方式、shell通用部分、方程约束和重启特性都非常友好，输入文件的python脚本和关键字也是如此。”
模型臂是一个长1米，直径38毫米的薄壁(0.22毫米)管，由两层平纹碳纤维在环氧树脂基体中制成。通过切掉一些复合材料，形成磁带弹簧铰链，管子的某些区域被削弱了，这样管子就可以绕着卫星折叠而不会造成任何损坏。考虑了三种可能的铰链设计，具有不同的槽参数。在铰链区域，有限元网格被做得更精细，以捕捉发生在这些区域的复杂变形的细节。
早期的研究使用微观力学建模，通过周期单元单元的均匀化(使用Abaqus/Standard)来捕捉臂架薄层材料的行为。在Abaqus/Explicit的准静态折叠和动态展开模拟中，材料刚度以矩阵的形式计算，并用于定义壳单元。数值模拟与材料失效准则相结合。这些工具的组合允许分析铰链设计变化对三种不同的吊杆模型的详细影响。这就确定了最安全的折叠和部署设计。
对臂架展开的建模包括首先挤压铰链使臂架围绕航天器折叠，然后释放所有约束条件，使臂架动态展开和自锁。Mallikarachchi说:“我们需要充分理解和优化这种行为，因为在部署结束时的超调可能会损坏吊杆、航天器或与其相连的其他设备。”“或者，过于缓慢、高度阻尼的部署可能永远无法实现所需的完全扩展配置。”
在有限元模拟中，第一个臂架设计超出了充分展开的配置，被拒绝。当失效分析和铰链角度根据时间响应进行优化时(完全展开大约在0.3秒内完成)，设计III的性能优于设计II。然后，Mallikarachchi的团队根据设计III的规格建造并测试了一个吊杆，并从两个不同的摄像机角度拍摄了结果。Abaqus有限元分析和臂架展开的并排运动对比证实，真实的臂架也在0.3秒内展开，完全锁紧，然后围绕展开的配置振荡，与仿真结果非常吻合。
加州理工学院近年来利用Abaqus有限元法进行的研究总结开发可展开的复合吊杆用于卫星硬件部署。
Mallikarachchi说:“我们的研究表明，最关键的点是完全折叠的结构，以及在部署期间，第二个铰链锁住的点，影响根铰链上的负载。”“槽的直线部分和弯曲部分之间的铰链过渡区域承受的应力和应变最大，因此在制造这种吊杆时应特别注意这一区域。”
加州理工学院的团队验证了他们的吊杆设计，为进一步探索卫星硬件部署铺平了道路。“我们的模拟技术可以用于设计多个铰链和优化臂架几何形状，以满足任何特定的任务要求。未来的工作可以考虑不同材料的交替层合板和热、粘弹性效应。”Mallikarachchi补充道。
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