蜂窩及其夾芯結(jié)構(gòu)在橋墩防撞中的應(yīng)用

鐘 鵬

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

蜂窩結(jié)構(gòu)是一種靈感來自于蜂巢的多孔結(jié)構(gòu)，其高達80%的孔隙率賦予它獨特的功能屬性,如隔熱、吸能、減噪[1,2]。得益于卓越的機械性能和輕質(zhì)化特性，蜂窩結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于航空航天和船舶工程領(lǐng)域中[1]。

1 蜂窩結(jié)構(gòu)概述

根據(jù)外觀形態(tài)的不同，筆者將目前蜂窩結(jié)構(gòu)的發(fā)展和研究對象分為普通蜂窩結(jié)構(gòu)和內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)。

1.1 普通蜂窩結(jié)構(gòu)

普通蜂窩結(jié)構(gòu)狀如自然界的蜂巢結(jié)構(gòu)，是正六邊形。其壓縮過程大致可分為3個階段：彈性階段、平臺階段和密實化階段。由于壓縮過程中平臺階段的應(yīng)力較低且穩(wěn)定，蜂窩結(jié)構(gòu)可吸收大量能量，是吸能緩沖結(jié)構(gòu)的良好選擇[3]。

1.2 內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)

基于普通蜂窩結(jié)構(gòu)的研究，隨后出現(xiàn)了內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)。它不僅具有普通蜂窩結(jié)構(gòu)的特性，還發(fā)展了其他的優(yōu)異性能。與呈現(xiàn)正泊松比的普通蜂窩結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)具有負泊松比效應(yīng)。它在單軸拉伸（或壓縮）下會導(dǎo)致橫向膨脹（或收縮），這種獨特的性能使得它在許多方面比其他結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢，成為具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒Y(jié)構(gòu)[4.5]。目前有許多學(xué)者對這種新型的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進行研究[6,7]，仿真模擬結(jié)果表明內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)比普通蜂窩結(jié)構(gòu)有更高的平臺應(yīng)力，意味著有更好的能量吸收能力[2]。此外，隨著沖擊速度的增加，局部變形逐步集中于沖擊端，這為緩沖、防撞裝置提供了有效可行的思路。

2 蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀

普通蜂窩結(jié)構(gòu)的泊松比雖為正值，但高孔隙率使其具有優(yōu)異的性能。內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的泊松比為負值，力學(xué)等性能優(yōu)于前者。目前，兩種類型的蜂窩結(jié)構(gòu)均有廣泛的應(yīng)用。

2.1 在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

對于飛行器而言，柔性蒙皮可給予它良好的氣動性能。柔性蒙皮的出現(xiàn)促使了自適應(yīng)變體飛機的成功實現(xiàn)。2015年，為緩解作為支撐體的蒙皮易出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，劉凱宇[8]提出了一種既有連續(xù)光滑的變形，又具有剛度、強度的輕質(zhì)可變形柔性蒙皮，它主要是由上下兩層薄面板與其間的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)膠結(jié)而成，有助于使飛機在各種飛行環(huán)境下通過調(diào)整翼型以保持最佳的氣動效率。2017年，宮曉博[9]為克服蜂窩結(jié)構(gòu)在變形結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的不足，對基于剛性蒙皮和零泊松比蜂窩的受彎度機翼結(jié)構(gòu)進行了研究，設(shè)計了一種四角星形零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，并對其進行有限元數(shù)值模擬方法分析，表明該結(jié)構(gòu)能夠解決面外翹曲變形問題。

2.2 在船舶領(lǐng)域中的應(yīng)用

蜂窩結(jié)構(gòu)具有良好的吸能特性，當其受到?jīng)_擊荷載作用時，會通過自身的變形來耗散部分能量，從而達到保護船舶的目的。2015年，ZHAO[10]等人為提高船舶的耐撞性，通過有限元程序 MSC/Dytran 的仿真,研究具有夾層蜂窩夾芯板的船舶在側(cè)向動力載荷作用下的耐撞性。充填層的數(shù)值模擬有助于開發(fā)新的防撞結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)設(shè)計概念,為其他研究人員創(chuàng)新船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。2019年，李琛[11]等人運用增材制造技術(shù)，提出蜂窩結(jié)構(gòu)底板方案，經(jīng)過有限元分析的驗證，這種新的底板結(jié)構(gòu)的抗彎矩和抗扭矩能力優(yōu)于傳統(tǒng)的縱橫板架結(jié)構(gòu)，為蜂窩結(jié)構(gòu)在船體設(shè)計中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

3 在橋墩防撞裝置中的設(shè)計應(yīng)用

橋墩防撞一直是橋梁工程研究的重點，橋墩的損壞將直接影響橋梁的正常使用。輕質(zhì)多孔的蜂窩結(jié)構(gòu)及蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)具有很高的吸能效率，緩沖效果好，但用于橋墩防撞裝置尚不普遍。然而，對于大型的橋梁結(jié)構(gòu)，其橋墩的保護工作不容忽視。將這種吸能性能好的緩沖結(jié)構(gòu)安裝于橋墩周圍，既能防止橋墩實體被撞毀，又能避免船舶受到巨大的損傷。此外，四周不斷擴展的六邊形在承受一次撞擊后，局部破壞后還能繼續(xù)使用，應(yīng)用前景可觀。

4 結(jié)論

作為一種常見的多孔金屬材料結(jié)構(gòu),蜂窩結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強、孔隙率高、剛度大的特點，抗沖擊、抗振等性能好。將其應(yīng)用到防撞裝置中，能夠很大程度地降低船、橋在事故中的損傷，且局部損壞并不會對整體防撞性能產(chǎn)生太大影響，為橋墩防撞裝置的設(shè)計提供了新的方向。