origami結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能及其在橋梁工程中的應(yīng)用

李眾 王帥 涂珞珈

摘 要：origami結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能如抗沖擊、吸能、抗爆等性能，在建筑物防撞結(jié)構(gòu)上起重要作用。本文通過比較分析了不同學(xué)者的實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果，簡述了origami動(dòng)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀。并簡要概述了其在橋梁工程中的應(yīng)用。筆者在最后提出了未來的研究方向。

關(guān)鍵詞：origami結(jié)構(gòu);橋梁防撞;動(dòng)力學(xué)性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.099

1 引言

交通行業(yè)的飛速發(fā)展使得跨海橋梁的規(guī)模越來越大，這類橋梁易因船舶的撞擊而受損。同時(shí)由于船舶噸位的增大，撞擊產(chǎn)生的后果也趨于嚴(yán)重化，造成橋梁的使用壽命、承載力以及防震能下降。因此如何減輕大噸位船只沖撞橋墩造成的傷害是一個(gè)重要的研究方向。如今不少學(xué)者通過研究新型結(jié)構(gòu)，制造出具有優(yōu)良動(dòng)力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)，以此來解決這類問題。origami結(jié)構(gòu)變成了學(xué)者的研究熱門，它較好的動(dòng)力學(xué)性能為這個(gè)難題提供了解決的可能。

2 origami動(dòng)力學(xué)性能

origami結(jié)構(gòu)的拉脹性能，使其具有優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)性能如抗沖擊、吸能、抗爆等性能。不少學(xué)者通過提高制作工藝、增加結(jié)構(gòu)夾芯以及改變結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)等方式，研究了origami結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能。為橋梁等建筑物的防撞工程提供相應(yīng)的支持。

2015年，Pydah A[1]等人分析了有屏蔽體和無屏蔽體的兩芯夾層板在爆炸荷載作用下的瞬態(tài)彈塑性變形，以確定塑性變形引起的能量耗散。結(jié)果發(fā)現(xiàn)有屏蔽體的結(jié)構(gòu)，能量高，即能耗越低，且增加與屏蔽體之間的距離d可以減少芯棒耗散的能量。因此在給定的爆炸荷載下，與等重量無屏蔽板相比，采用屏蔽板可以顯著降低夾層板的能量耗散。這表明帶有屏蔽的夾層板的承載能力有所增加。因此在相同的能量耗散情況下，帶防爆罩的結(jié)構(gòu)比不帶防爆罩的結(jié)構(gòu)輕約42%。即結(jié)構(gòu)自重減輕的同時(shí)，能量吸收性能卻沒有降低。

2017年，Lu R[2]等人提高制作工藝，將制作出的軋制管材（TRT）與傳統(tǒng)等厚管材（UT）同時(shí)進(jìn)行軸向碰撞試驗(yàn)，以此評價(jià)其抗沖擊性能。通過實(shí)驗(yàn)及有限元仿真的方法，比較兩種材料在同一撞擊下的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)TRT受拉應(yīng)變的區(qū)域明顯增大，特別是在向內(nèi)彎曲的塑性鉸中。除此之外，TRT環(huán)形表面的應(yīng)變強(qiáng)度也略有增強(qiáng)，因?yàn)閴嚎s效果更強(qiáng)。由于這種更強(qiáng)的應(yīng)變，未變形的空間更大。TRT的獨(dú)特變形特性，使更多的管壁金屬能進(jìn)入更高的應(yīng)變階段，從而吸收更多的能量。從協(xié)調(diào)變形強(qiáng)度來看，載荷均勻性也很好。所以TRT結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能有所提高。

2018年，Peiwen Zhang[3]等人通過改變結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和外形，設(shè)計(jì)了四種可編程3D折紙管模型，然后組裝成堆疊折疊結(jié)構(gòu)并用作夾層梁的芯。通過理論和數(shù)值的研究，分析堆疊折疊結(jié)構(gòu)的原始折疊角對動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。當(dāng)夾層梁原始折疊角α= 45°，60°，75°和90°時(shí)，其對應(yīng)的最大背面偏轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)時(shí)間分別為1.501，1.392，1.299和1.276ms。因此，從最大撓度和能量耗散角度來講，具有可折疊芯的夾層梁比傳統(tǒng)蜂窩芯和整體梁的夾層梁消耗更多能量，即具有較好的抗爆性能。此外，較小的原始折疊角度可以提供夾層梁更好的抗爆性。

3 origami結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用

上一節(jié)通過比較分析不同學(xué)者的實(shí)驗(yàn)和結(jié)論，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)性能。不少學(xué)者基于origami結(jié)構(gòu)相關(guān)特性，解決橋梁當(dāng)中的實(shí)際問題。

由于橋梁跨徑增大，跨海大橋數(shù)量越來越多，發(fā)生船舶撞擊橋墩的概率大大增加。為了解決此類問題，不少學(xué)者研究了origami在橋梁防撞工程中的應(yīng)用。

2018年，豐火雷[5]等人研究了origami結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)origami結(jié)構(gòu)可以使結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的形狀，以此達(dá)到提高結(jié)構(gòu)剛度的目的。除此之外，豐火雷[4]等人在2018年研究了一種“蛋盒”模型，它在扭轉(zhuǎn)下，可以改變整體高斯曲率。在拉伸和彎曲時(shí)，它分別表現(xiàn)出正的和負(fù)的泊松比。此種結(jié)構(gòu)在與普通結(jié)構(gòu)相比較，具有更好的吸能能力，可以多角度德抵抗撞擊。將其應(yīng)用在橋梁防撞或高速公路防護(hù)欄中，不僅可以延長結(jié)構(gòu)使用壽命，同時(shí)也能減輕事故的危害。

同年，肖光[5]等人對“蛋盒”origami結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。通過實(shí)驗(yàn)和有限元仿真，除了得出上述結(jié)論以外，還發(fā)現(xiàn)用響應(yīng)面法及功效系數(shù)法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)它不僅能夠削弱結(jié)構(gòu)沖撞力。在滿足結(jié)構(gòu)的耐撞性的條件下，減輕了自重，降低了成本同時(shí)提高了材料的利用率。將此種結(jié)構(gòu)運(yùn)用在橋梁防撞工程中，可以有效降低撞擊中的傷害。

4 結(jié)語

origami結(jié)構(gòu)是一種典型的具有負(fù)泊松比的拉脹材料，本文簡述不同學(xué)者的實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果，發(fā)現(xiàn)origami結(jié)構(gòu)能表現(xiàn)出更好的抗沖擊性、吸能以及抗爆性等性能。同時(shí)簡要概述其在橋梁工程中的研究，發(fā)現(xiàn)其在防撞工程上能發(fā)揮出巨大作用，其在橋梁工程中應(yīng)用有著很大的研究空間和發(fā)展前景。當(dāng)然，不同的學(xué)者也致力于將origami結(jié)構(gòu)應(yīng)用到其他領(lǐng)域如光學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等。但現(xiàn)存的研究較少且大都是在實(shí)驗(yàn)和仿真層面上，未來可以研究：

（1）將Origami結(jié)構(gòu)優(yōu)化并實(shí)際應(yīng)用在橋梁等建筑物的防撞工程中，以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)的剛度，降低因沖撞造成的損失，同時(shí)使結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)、耐用。

（2）不斷優(yōu)化origami結(jié)構(gòu)，挖掘更多的優(yōu)良性能，達(dá)到向其他學(xué)科發(fā)展的目的。

參考文獻(xiàn)：

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