Origami结构的优化及其在桥梁工程中的应用

丰火雷+余宜+欧德盼+周开发

摘 要：Origami结构作为一种新兴的材料结构，具有轻质、牢固、可展、收缩、防撞、吸能等特性，已逐渐应用于工程领域。文章基于对Origami结构的优化，探究其在桥梁工程中的两大应用：（1）可移动桥梁；（2）桥梁防撞体系。并在桥梁防撞体系中引入“蛋盒”模型，利用Pro/e和COMSOL Multi-physic进行有限元模拟仿真分析，得出“蛋盒”结构与普通的防撞结构相比，具有更加优良的吸能防撞特性，且能多角度抵抗撞击，从而增加桥梁的使用寿命。

关键词：Origami结构优化；桥梁工程； “蛋盒”模型

中图分类号：TU997 文献标志码：A 文章编号：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结构具有轻质、牢固、可展、收缩、防撞、吸能等性能，在不同的领域有着广泛的应用，详见表1。近年，基于以下的研究，Origami结构的优化及其在桥梁工程中的应用有了更深的拓展。

1 Origami结构的优化

Origami结构的发展和应用为工业革新带来了新的思路和方向。其所具有的良好性能被直接或间接地运用到工业中。近年来，不断的有专家学者将Origami结构吸能和防撞的良好特性引入到机械工程和土木工程领域中，并取得了一定的成果。此类研究多从折纸的结构出发，按照一定的功能需求对结构进行优化。

二十世纪七十年代，俄罗斯学者Miura提出一种纵向和横向均呈“之”字形曲折的异型结构-V型平面折叠结构。后期大量实验证明，聚合物V型折叠结构不仅具有较高的比质量、比刚度、较好的吸音、隔音、隔热等优良性能[5]。同时还具有形式多变，整体性好，结构通畅，不易吸湿受潮等优点。在建筑设计，包装行业，汽车、船舶、高速列车及航空航天飞行器等动力机械装备的外壳结构上具有广泛的应用空间及前景。

随着V型平面折叠结构的提出和应用，越来越多的Origami结构被引入到机械工程领域。2013年，赵希禄教授团队提出将折纸工程中的反转螺旋型Origami结构和带段差凹凸型Origami结构引入到汽车前纵梁设计中。该团队基于非线性有限元理论，采用LS-DYNA模拟仿真和响应曲面优化算法相结合的方法，分别对反转螺旋型Origami结构和带段差凹凸型Origami结构进行数值模拟计算和优化设计。对Origami结构的汽车前纵梁正面碰撞进行了分析，并在指定的设计范围内得到了最佳纵梁结构的形状设计参数。结果表明，反转螺旋型Origami结构和带段差凹凸型Origami结构的吸能特性较现行结构有了明显的提高[6]。该研究对保护乘员和行人安全具有重要意义。基于优化Origami结构的理念，研究人员研发出了更多的新型Origami结构。Diamond折纸管状结构是其中具有代表性的一种结构，见图1。将Diamond刚性折纸模型引入到薄壁管狀结构的设计中，使该结构良好的防撞性能与薄壁管状结构吸能的特性相结合，能对撞击起到有效的缓冲作用。因此该结构可以作为附加结构或组成部件应用于航空航天、车辆船舶、机械、土木等众多领域的防撞保护系统中。

图1 Diamond 预折纹管状结构

2 Origami结构在桥梁工程中的应用

2.1 可移动桥梁

近年来，世界各国都发生了一些自然灾害，如地震、洪水和海啸。其中许多桥梁在自然灾害中受到了不同程度的破环。例如在日本的奇格萨河和伊博河的几个支流上，时常有洪水发生。我们需要建立一个新的救援结构来承受这样的灾难。其中必须考虑如何恢复受损的基础设施或者如何在灾难发生后尽快建立一种新型的救援系统，因为在紧急情况下抢救生命是非常重要的。日本学者Ichiro Ario等人将Origami结构技术应用到桥梁工程中，通过电脑软件数值模拟，设计出了一种结构轻巧、刚度高的桥梁模型。当发生自然灾害（地震、洪水）导致原有桥梁垮塌时，该种桥梁便可以快速搭建，为救援节省了时间。该种桥梁被称为Mobilebridge，其可以根据需求进行收缩、拉伸，从而更好地实现其功能。endprint

2.2 “蛋盒”结构

在实际的生活中，对于跨江、跨海的桥梁，我们往往需要考虑桥墩的防撞设施。为了有效地缓冲船舶的冲击力，将船舶对桥墩防撞设施的破坏降到最低，我们在防撞设施中引入了“蛋盒”结构，见图2，该结构模型中的平行四边形的边都为15mm，锐角60°。

“蛋盒”结构是将现实生活中的鸡蛋盒优化后得到的origami结构，具有以下力学特征[7]：（1）通过扭转可以改变其整体的高斯曲率。（2）拉伸时，该结构呈现正的泊松比。（3）弯曲时，该结构为球面形，呈现出负的泊松比。

利用Pro/e建立“蛋壳”三维模型，再将其导入COMSOL Multi-physics 中，通过有限元模拟仿真进行分析。如下图3所示，固定模型的一边，对与其平行的边施加一个向内推或向外拉伸的力，得到以下效果图，与实际操作结果吻合。结果表明，“蛋壳”结构与普通的防撞结构相比，具有更加良好的吸能防撞特性，且能多角度抵抗撞击。利用其自身所具有的特性，应用到桥梁桥墩防撞或高速公路汽车防撞护栏上使用，可以增加设施的使用寿命，且该种装置制作简便，利于推广。

（a）受压

（b）受拉

图3 “蛋盒”模型力学特性模拟仿真图

3 结束语

折纸艺术与科学技术的结合是未来科技发展的一大方向。目前折纸技术在航空航天、生物医学设备、包装、晶体管、电子器材、土木工程、机械工程等领域都已经有了应用。Origami结构的优化是目前研究的一个方向也是折纸技术未来发展的必然趋势。目前这类研究已经延伸至各个领域，但其在工程中的应用实例甚少。通过优化折叠算法，将Origami结构设计的方式方法统一，使其更好地应用于桥梁工程。

参考文献：

[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型折疊结构制造技术及力学性能研究[D]. 大连理工大学， 2016.

[6]周伶俐.折纸型汽车前纵梁碰撞性能的优化设计[D].江苏科技大学，2013.

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