Origami結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及其在橋梁工程中的應(yīng)用

豐火雷+余宜+歐德盼+周開發(fā)

摘 要：Origami結(jié)構(gòu)作為一種新興的材料結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、牢固、可展、收縮、防撞、吸能等特性，已逐漸應(yīng)用于工程領(lǐng)域。文章基于對Origami結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，探究其在橋梁工程中的兩大應(yīng)用：（1）可移動橋梁；（2）橋梁防撞體系。并在橋梁防撞體系中引入“蛋盒”模型，利用Pro/e和COMSOL Multi-physic進行有限元模擬仿真分析，得出“蛋盒”結(jié)構(gòu)與普通的防撞結(jié)構(gòu)相比，具有更加優(yōu)良的吸能防撞特性，且能多角度抵抗撞擊，從而增加橋梁的使用壽命。

關(guān)鍵詞：Origami結(jié)構(gòu)優(yōu)化；橋梁工程； “蛋盒”模型

中圖分類號：TU997 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0015-02

Abstract： As a new material structure， Origami structure has the characteristics of being light in weight， firm， developable， shrinkage， anti-collision， energy absorpting， and so on， thus it has been gradually applied in the field of engineering. Based on the optimization of Origami structure， this paper explores its two major applications in bridge engineering： movable bridge； bridge collision prevention system. The "egg box" model is introduced into the bridge anti-collision system， and the finite element simulation analysis is carried out by using Pro/e and COMSOL Multi-physic. Compared with the common anti-collision structure， the "egg box" structure has better energy-absorpting and anti-collision characteristics， and can resist the impact at multiple angles， thus increasing the duration of the bridge.

Keywords： Origami structure optimization； bridge engineering； "egg box" model

Origami結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、牢固、可展、收縮、防撞、吸能等性能，在不同的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，詳見表1。近年，基于以下的研究，Origami結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及其在橋梁工程中的應(yīng)用有了更深的拓展。

1 Origami結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

Origami結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用為工業(yè)革新帶來了新的思路和方向。其所具有的良好性能被直接或間接地運用到工業(yè)中。近年來，不斷的有專家學者將Origami結(jié)構(gòu)吸能和防撞的良好特性引入到機械工程和土木工程領(lǐng)域中，并取得了一定的成果。此類研究多從折紙的結(jié)構(gòu)出發(fā)，按照一定的功能需求對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

二十世紀七十年代，俄羅斯學者Miura提出一種縱向和橫向均呈“之”字形曲折的異型結(jié)構(gòu)-V型平面折疊結(jié)構(gòu)。后期大量實驗證明，聚合物V型折疊結(jié)構(gòu)不僅具有較高的比質(zhì)量、比剛度、較好的吸音、隔音、隔熱等優(yōu)良性能[5]。同時還具有形式多變，整體性好，結(jié)構(gòu)通暢，不易吸濕受潮等優(yōu)點。在建筑設(shè)計，包裝行業(yè)，汽車、船舶、高速列車及航空航天飛行器等動力機械裝備的外殼結(jié)構(gòu)上具有廣泛的應(yīng)用空間及前景。

隨著V型平面折疊結(jié)構(gòu)的提出和應(yīng)用，越來越多的Origami結(jié)構(gòu)被引入到機械工程領(lǐng)域。2013年，趙希祿教授團隊提出將折紙工程中的反轉(zhuǎn)螺旋型Origami結(jié)構(gòu)和帶段差凹凸型Origami結(jié)構(gòu)引入到汽車前縱梁設(shè)計中。該團隊基于非線性有限元理論，采用LS-DYNA模擬仿真和響應(yīng)曲面優(yōu)化算法相結(jié)合的方法，分別對反轉(zhuǎn)螺旋型Origami結(jié)構(gòu)和帶段差凹凸型Origami結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬計算和優(yōu)化設(shè)計。對Origami結(jié)構(gòu)的汽車前縱梁正面碰撞進行了分析，并在指定的設(shè)計范圍內(nèi)得到了最佳縱梁結(jié)構(gòu)的形狀設(shè)計參數(shù)。結(jié)果表明，反轉(zhuǎn)螺旋型Origami結(jié)構(gòu)和帶段差凹凸型Origami結(jié)構(gòu)的吸能特性較現(xiàn)行結(jié)構(gòu)有了明顯的提高[6]。該研究對保護乘員和行人安全具有重要意義。基于優(yōu)化Origami結(jié)構(gòu)的理念，研究人員研發(fā)出了更多的新型Origami結(jié)構(gòu)。Diamond折紙管狀結(jié)構(gòu)是其中具有代表性的一種結(jié)構(gòu)，見圖1。將Diamond剛性折紙模型引入到薄壁管狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，使該結(jié)構(gòu)良好的防撞性能與薄壁管狀結(jié)構(gòu)吸能的特性相結(jié)合，能對撞擊起到有效的緩沖作用。因此該結(jié)構(gòu)可以作為附加結(jié)構(gòu)或組成部件應(yīng)用于航空航天、車輛船舶、機械、土木等眾多領(lǐng)域的防撞保護系統(tǒng)中。

圖1 Diamond 預(yù)折紋管狀結(jié)構(gòu)

2 Origami結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用

2.1 可移動橋梁

近年來，世界各國都發(fā)生了一些自然災(zāi)害，如地震、洪水和海嘯。其中許多橋梁在自然災(zāi)害中受到了不同程度的破環(huán)。例如在日本的奇格薩河和伊博河的幾個支流上，時常有洪水發(fā)生。我們需要建立一個新的救援結(jié)構(gòu)來承受這樣的災(zāi)難。其中必須考慮如何恢復受損的基礎(chǔ)設(shè)施或者如何在災(zāi)難發(fā)生后盡快建立一種新型的救援系統(tǒng)，因為在緊急情況下?lián)尵壬欠浅Ｖ匾摹Ｈ毡緦W者Ichiro Ario等人將Origami結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用到橋梁工程中，通過電腦軟件數(shù)值模擬，設(shè)計出了一種結(jié)構(gòu)輕巧、剛度高的橋梁模型。當發(fā)生自然災(zāi)害（地震、洪水）導致原有橋梁垮塌時，該種橋梁便可以快速搭建，為救援節(jié)省了時間。該種橋梁被稱為Mobilebridge，其可以根據(jù)需求進行收縮、拉伸，從而更好地實現(xiàn)其功能。endprint

2.2 “蛋盒”結(jié)構(gòu)

在實際的生活中，對于跨江、跨海的橋梁，我們往往需要考慮橋墩的防撞設(shè)施。為了有效地緩沖船舶的沖擊力，將船舶對橋墩防撞設(shè)施的破壞降到最低，我們在防撞設(shè)施中引入了“蛋盒”結(jié)構(gòu)，見圖2，該結(jié)構(gòu)模型中的平行四邊形的邊都為15mm，銳角60°。

“蛋盒”結(jié)構(gòu)是將現(xiàn)實生活中的雞蛋盒優(yōu)化后得到的origami結(jié)構(gòu)，具有以下力學特征[7]：（1）通過扭轉(zhuǎn)可以改變其整體的高斯曲率。（2）拉伸時，該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)正的泊松比。（3）彎曲時，該結(jié)構(gòu)為球面形，呈現(xiàn)出負的泊松比。

利用Pro/e建立“蛋殼”三維模型，再將其導入COMSOL Multi-physics 中，通過有限元模擬仿真進行分析。如下圖3所示，固定模型的一邊，對與其平行的邊施加一個向內(nèi)推或向外拉伸的力，得到以下效果圖，與實際操作結(jié)果吻合。結(jié)果表明，“蛋殼”結(jié)構(gòu)與普通的防撞結(jié)構(gòu)相比，具有更加良好的吸能防撞特性，且能多角度抵抗撞擊。利用其自身所具有的特性，應(yīng)用到橋梁橋墩防撞或高速公路汽車防撞護欄上使用，可以增加設(shè)施的使用壽命，且該種裝置制作簡便，利于推廣。

（a）受壓

（b）受拉

圖3 “蛋盒”模型力學特性模擬仿真圖

3 結(jié)束語

折紙藝術(shù)與科學技術(shù)的結(jié)合是未來科技發(fā)展的一大方向。目前折紙技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)學設(shè)備、包裝、晶體管、電子器材、土木工程、機械工程等領(lǐng)域都已經(jīng)有了應(yīng)用。Origami結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是目前研究的一個方向也是折紙技術(shù)未來發(fā)展的必然趨勢。目前這類研究已經(jīng)延伸至各個領(lǐng)域，但其在工程中的應(yīng)用實例甚少。通過優(yōu)化折疊算法，將Origami結(jié)構(gòu)設(shè)計的方式方法統(tǒng)一，使其更好地應(yīng)用于橋梁工程。

參考文獻：

[1]T. Al-Mulla and M. J. Buehler. Folding Creases Through Bending. Nature Materials， 2015.

[2]J. Cybulski， J. Clements， M. Prakash. Fold Scope： Origami-Based Paper Microscope. Plos One， 2014.

[3]Y. Nishiyama. Miura Folding： Applying Origami to Space Exploration. Pure and Applied Mathematics，2012，79（2）.

[4]R. J. Lang. Mathematical methods in Origami Design. Bridges 2009： Mathematics， Music， Art， Architecture， Culture， 2009.

[5]李玉杰.聚合物V型折疊結(jié)構(gòu)制造技術(shù)及力學性能研究[D]. 大連理工大學， 2016.

[6]周伶俐.折紙型汽車前縱梁碰撞性能的優(yōu)化設(shè)計[D].江蘇科技大學，2013.

[7]M. Schenk and S. D. Guest. Folded Textured Sheets. Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures （IASS），2009.endprint