對立式蛋盒結構在橋梁防撞中的應用研究

李眾　魏百媧

摘 要：本文對對立式蛋盒結構的高吸能能力等優良力學性能進行了參數化分析，發現當對立式蛋盒結構的參數組合為振幅h=10mm、周期l=60mm以及厚度t=1.2mm時，結構既符合現實情況，又能表現出優異的力學性能。本研究結論為其應用在橋梁的防撞結構中奠定基礎。

關鍵詞：橋梁防撞 對立式雞蛋盒結構 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異性能。Chung J G[1]等人對蛋盒結構進行靜力學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]等人將雞蛋盒結構制成夾芯結構，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上，對對立式雞蛋盒結構進行了參數化分析，探究不同參數下結構性能的變化，同時優化結構模型，奠定其在橋梁防撞中的應用。

1 對立式蛋盒型的有限元模型

該雞蛋盒結構的橫截面軌跡為余弦函數，表達式如式（1）。

（1）

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

2 對立式蛋盒結構的仿真分析

利用 ANSYS Workbench 計算平臺對結構進行有限元模擬仿真。結構的材料模型均選為ABS，其屬性參數分別為楊氏模量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，以歸納總結出三種幾何參數對結構的影響規律。

3 結果與討論

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三種幾何參數對結構的影響規律，具體實驗分組如表1，仿真結果如圖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。當固定周期值和厚度時，隨著振幅值得提高，雞蛋盒中出現的最大mises應力值先減小，后增大，最小值為24.945MPa。而最大應變能最大體呈下降趨勢，最大值為2.076mJ。當控制厚度和振幅不變時，結構中的最大mises應力值隨著周期的增加而逐漸下降，最小值為23.977MPa。同時最大應變能先增大，后減小，最大值為1.9554mJ。當控制振幅和周期不變時，隨著結構厚度的增加，兩者都呈上升趨勢。最小mises應力值25.396MPa，最大應力值為2.7262mJ。

4 結語

基于有限元仿真平臺對雞蛋盒結構進行參數化分析，發現在特定的參數組合下，該結構出現了優異的吸能能力和靜力學能力。具體結論如下。

（1）當結構厚度增加時，結構的吸能效果越好；（2）當雞蛋盒的振幅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。

該研究為雞蛋盒結構在橋梁防撞中的應用奠定了基礎。后期通過優化結構的幾何模型以及材料，制作出具有超高吸能能力的結構以應用在橋梁防撞結構中，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.