周期性雞蛋托盤橫向壓縮性能在土木工程中的應用研究

李眾 魏百媧

摘? 要：該文研究雞蛋托盤仰角α的變化對其力學性能的影響。發現相同荷載作用下：（1）當α=58°時，出現最小總位移量0.147mm;當α=45°時，出現最小應力值76.344MPa。（2）當α=70°時，出現最大總應變能73.868MJ。（3）最大mises應力值與仰角成正相關。雞蛋托盤結構的仰角α對其力學性能有較大的影響。不難看出，仰角對雞蛋托盤結構的影響較大。合理控制仰角可使其更好地應用在土木工程中。

關鍵詞：雞蛋托盤結構? 土木工程? 仰角? 力學性能

中圖分類號：TU511? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0047-02

雞蛋托盤是生活中一種常見的結構，因其能有效防止雞蛋破裂而被人關注。Yoo S H[1]等人對泡沫填充的復合雞蛋盒面板進行壓縮試驗，發現低密度泡沫填充雞蛋箱板具有最理想的能量吸收能力。Xiaotian Z[2]等人對蛋箱結構進行了沖擊分析，發現其具有比平板更好的吸能能力。文獻[3]對蛋盒結構和蜂窩六邊形結構進行比較分析，發現兩者的吸能效果相似。

該文在前人研究的基礎上，對蛋盒結構進行參數化分析，以探究蛋盒結構幾何參數對其力學性能的影響，為其以后的應用做鋪墊。

1? 蛋盒型結構的有限元模型

假設蛋盒單胞結構的形貌完全相同，且蛋盒型結構是由多個單胞結構排列組合而成。將成形的胞元結構進行陣列后，便可得到完整的蛋盒型結構。該文蛋盒模型的參數參考了文獻[4]，蛋盒型結構如圖1。其結構參數包括橫向長度l=70mm、縱向長度h=20mm、仰角α、胞元壁厚t=1mm以及l1=7.5mm。將成型的單胞結構進行陣列，形成3×3的蛋盒型結構，并在其的兩端加上相同的兩塊板用于結構的加載。

2? 有限元法分析仰角α對結構的影響規律

該文利用ANSYS Workbench計算平臺，對結構進行有限元仿真。將仿真時溫度設置為22℃以更好地模擬真實工況。結構的材料模型均選為結構鋼，其屬性參數分別為楊氏模量E=200GPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7850kg/m3、屈服強度υ=250MPa。模型下表面采用完全固定約束。上表面施加均布荷載P=0.05MPa，以此進行壓縮仿真分析。

3? 結果與討論

該文探究仰角α對結構的影響規律;同種荷載下，變化仰角α的取值;探究結構中出現的最大mises應力值、最大總位移量以及總應變能的變化，結果如表1。

由表1可得到如下結論：

（1）隨著仰角α取值的變化，最大總位移量出現非線性變化。在α=58°時取得最小值0.14797mm;在α=70°時，取得最大值0.47824mm。

（2）結構中出現的最大mises應力值與仰角α的取值成正相關。在彈性形變區域內，隨著仰角α的增大，結構中的最大mises應力值也隨之增大。

（3）結構的總應變能與仰角α成非線性關系，且受其影響較大。當α=48°時，總應變能取得最小值25.502MJ;當α=70°時，取得最大值73.868MJ。

4? 結語

綜上所述，雞蛋托盤的仰角α對結構的性能有著極大的影響，且其值與最大總位移量和總應變能成非線性相關，與最大mises應力值成線性相關。該研究結論為雞蛋托盤結構在土木工程中的承重結構以及防撞結構中的應用奠定基礎。

參考文獻

[1] Yoo S H，Chang S H，Sutcliffe M P F.Compressive characteristics of foam-filled composite egg-box sandwich panels as energy absorbing structures[J].Composites Part A： Applied Science and Manufacturing，2010，41（3）：427-434.

[2] Xiaotian Z，Tao L，Xiaogang L，et al.Hypervelocity impact performance of aluminum egg-box panel enhanced Whipple shield[J].Acta Astronautica，2016（119）：48-59.

[3] Deshpande V S，Fleck N A.Energy absorption of an egg-box material[J].Journal of the Mechanics & Physics of Solids，2003，51（1）：187-208.

[4] HaldarA，Guan ZW，Cantwell WJ，et al.The compressive properties of sandwich structures based on an egg-box core design[J].Composites Part B： Engineering，2018（144）：143-152.

①作者簡介：李眾（1998，3—），男，漢族，重慶人，本科，研究方向：土木工程及力學方面。