我国是航天事业大国,在航天领域取得了卓越的成就。太阳帆作为航天器进入太空的主要能量来源,对于航天器在太空正常运行起着关键作用,同时其展开过程对于航天器的姿态控制也有一定影响。近年来,由于太阳帆展开故障造成航天器事故的事件时有发生,对航天器的正常运行造成了威胁。太阳帆一般由数块太阳板铰接而成,由于一般传统铰链的连接位置有空隙,在转动过程中有摩擦、磨损,需要润滑,会造成一定程度的冲击和振动,影响航天器的姿态控制与正常工作。柔性铰链可以很好地避免这些问题,利用材料本身的变形来提供驱动力。为了进行单转动自由度柔性铰链的设计,基于旋量理论和FACT(Freedom and Constraint Topologies)理论,定义了约束空间、交点和交距的概念,考虑约束位置和变形形式对柔性铰链的不同影响,对杆板约束条件下单转动自由度柔性铰链进行了系统分类,在此基础上,给出了杆、板约束的添加规则。结合柔性单元的串并联关系,设计了三种单转动自由度大转角柔性铰链。为了分析所设计柔性铰链的力学特性,以期获得更优的特性,采用伪刚体法、能量法以及柔性单元的串并联关系,建立了柔性铰链的转动刚度与径向刚度数学模型。并把该柔性铰链的尺寸参数作为设计变量,以边界约束、尺寸关系和性能约束为约束条件,在保证一定径向刚度的前提下,以提高转动能力为目标,利用该柔性铰链的等效刚度模型建立了柔性铰链的优化数学模型。采用多目标优化方法对该柔性铰链的设计参数进行了优化。通过优化前后柔性铰链的性能的对比分析,可得优化后柔性铰链的转动能力和径向刚度有了明显的提高。在Ansys中建立了三种柔性铰链的有限元模型,使用有限元仿真分析其转动刚度和径向刚度,通过仿真值和理论值的对比验证了刚度模型的正确性。针对组合式柔性铰链,搭建实验平台,采用扭矩传感器、电涡流位移传感器以及NI等设备进行数据采集与研究。测试了组合式柔性铰链的转动刚度和径向刚度,通过刚度实验,进一步验证了柔性铰链刚度模型的正确性。通过Solidworks三维建模软件建立了卫星本体、太阳板、柔性铰链等关键零部件的实体模型。运用Adams动力学软件对太阳帆的展开和锁紧过程进行了仿真研究,经过分析可以得出太阳帆可以实现平稳展开和锁定。总体而言,本文就柔性铰链替代传统铰链实现太阳帆的平稳展开,在理论、仿真与试验方面进行了较为深入的研究。为单转动自由度柔性铰链设计提供了设计规则,为三种柔性铰链的设计与优化提供了理论基础,同时对组合式柔性铰链进行了实验分析,并将其进行了太阳帆展开的动力学分析,实现了平稳展开与锁定。