對立式蛋盒結(jié)構(gòu)在橋梁防撞中的應(yīng)用研究

李眾　魏百媧

摘 要：本文對對立式蛋盒結(jié)構(gòu)的高吸能能力等優(yōu)良力學(xué)性能進行了參數(shù)化分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)對立式蛋盒結(jié)構(gòu)的參數(shù)組合為振幅h=10mm、周期l=60mm以及厚度t=1.2mm時，結(jié)構(gòu)既符合現(xiàn)實情況，又能表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。本研究結(jié)論為其應(yīng)用在橋梁的防撞結(jié)構(gòu)中奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：橋梁防撞 對立式雞蛋盒結(jié)構(gòu) 有限元仿真

中圖分類號：U465.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0054-02

蛋盒是用于防止雞蛋在運輸和存放過程中破碎的裝置，它具有較高的緩沖性能、較高的能量吸收性能等優(yōu)異性能。Chung J G[1]等人對蛋盒結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)壓縮實驗以探究其變形行為和能量吸收能力。同樣，Zupan M[2]等人也通過壓縮實驗，探究其進入塑性應(yīng)變后的性能，以此確定其超常的吸能能力。Cai Z Y[3]等人將雞蛋盒結(jié)構(gòu)制成夾芯結(jié)構(gòu)，以探究其多點成形及成形過程中的失效行為，為雞蛋盒的制作提供理論支持。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對對立式雞蛋盒結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)化分析，探究不同參數(shù)下結(jié)構(gòu)性能的變化，同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型，奠定其在橋梁防撞中的應(yīng)用。

1 對立式蛋盒型的有限元模型

該雞蛋盒結(jié)構(gòu)的橫截面軌跡為余弦函數(shù)，表達式如式（1）。

（1）

其中t=1；n為同一橫截面上的單胞個數(shù)；h為余弦函數(shù)振幅；l為余弦函數(shù)的周期長度（即頻率）。通過對單胞結(jié)構(gòu)進行陣列成3×3的雞蛋盒結(jié)構(gòu)，同時用四片蛋盒結(jié)構(gòu)形成對立式蛋盒結(jié)構(gòu)。在其兩端放置兩塊剛性板用于結(jié)構(gòu)加載。

2 對立式蛋盒結(jié)構(gòu)的仿真分析

利用 ANSYS Workbench 計算平臺對結(jié)構(gòu)進行有限元模擬仿真。結(jié)構(gòu)的材料模型均選為ABS，其屬性參數(shù)分別為楊氏模量E=2.2GPa，泊松比μ=0.394，密度=1050kg/m3，屈服強度=50MPa。模型下表面完全固定約束，上表面施加位移荷載x=3mm。進行壓縮分析時，采用控制變量法分別對振幅h、周期l以及厚度t進行了分析，以歸納總結(jié)出三種幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

3 結(jié)果與討論

本文基于ANSYS Workbench有限元仿真平臺，分析了振幅h、周期l以及厚度t三種幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，具體實驗分組如表1，仿真結(jié)果如圖1。

由圖1可知，因加載方式為位移荷載，各情況下的最大位移值相差無幾。當(dāng)固定周期值和厚度時，隨著振幅值得提高，雞蛋盒中出現(xiàn)的最大mises應(yīng)力值先減小，后增大，最小值為24.945MPa。而最大應(yīng)變能最大體呈下降趨勢，最大值為2.076mJ。當(dāng)控制厚度和振幅不變時，結(jié)構(gòu)中的最大mises應(yīng)力值隨著周期的增加而逐漸下降，最小值為23.977MPa。同時最大應(yīng)變能先增大，后減小，最大值為1.9554mJ。當(dāng)控制振幅和周期不變時，隨著結(jié)構(gòu)厚度的增加，兩者都呈上升趨勢。最小mises應(yīng)力值25.396MPa，最大應(yīng)力值為2.7262mJ。

4 結(jié)語

基于有限元仿真平臺對雞蛋盒結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化分析，發(fā)現(xiàn)在特定的參數(shù)組合下，該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了優(yōu)異的吸能能力和靜力學(xué)能力。具體結(jié)論如下。

（1）當(dāng)結(jié)構(gòu)厚度增加時，結(jié)構(gòu)的吸能效果越好；（2）當(dāng)雞蛋盒的振幅h=10mm、周期l=60mm以及厚度t=1.2mm時，雞蛋盒既符合實際情況，又能達到最佳狀態(tài)。

該研究為雞蛋盒結(jié)構(gòu)在橋梁防撞中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。后期通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何模型以及材料，制作出具有超高吸能能力的結(jié)構(gòu)以應(yīng)用在橋梁防撞結(jié)構(gòu)中，降低橋梁受撞擊時造成的傷害。

參考文獻

[1] Chung J G， Chang S H， Sutcliffe M P F. Deformation and energy absorption of composite egg-box panels[J]. Composites Science and Technology， 2007， 67（11-12）：2342-2349.

[2] Zupan M， Chen C， Fleck N. The plastic collapse and energy absorption capacity of egg-box panels[J]. international journal of mechanical sciences.2003（45）： 851–871.

[3] Cai Z Y， Zhang X， Liang X B. Multi-point forming of sandwich panels with egg-box-like cores and failure behaviors in forming process： Analytical models， numerical and experimental investigations[J]. Materials & Design， 2018（160）：1029-1041.