对立式蛋盒结构在桥梁防撞中的应用研究

李众　魏百娲

摘 要：本文对对立式蛋盒结构的高吸能能力等优良力学性能进行了参数化分析，发现当对立式蛋盒结构的参数组合为振幅h=10mm、周期l=60mm以及厚度t=1.2mm时，结构既符合现实情况，又能表现出优异的力学性能。本研究结论为其应用在桥梁的防撞结构中奠定基础。

关键词：桥梁防撞 对立式鸡蛋盒结构 有限元仿真

中图分类号：U465.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（a）-0054-02

蛋盒是用于防止鸡蛋在运输和存放过程中破碎的装置，它具有较高的缓冲性能、较高的能量吸收性能等优异性能。Chung J G[1]等人对蛋盒结构进行静力学压缩实验以探究其变形行为和能量吸收能力。同样，Zupan M[2]等人也通过压缩实验，探究其进入塑性应变后的性能，以此确定其超常的吸能能力。Cai Z Y[3]等人将鸡蛋盒结构制成夹芯结构，以探究其多点成形及成形过程中的失效行为，为鸡蛋盒的制作提供理论支持。

本文在前人研究的基础上，对对立式鸡蛋盒结构进行了参数化分析，探究不同参数下结构性能的变化，同时优化结构模型，奠定其在桥梁防撞中的应用。

1 对立式蛋盒型的有限元模型

该鸡蛋盒结构的横截面轨迹为余弦函数，表达式如式（1）。

（1）

其中t=1；n為同一横截面上的单胞个数；h为余弦函数振幅；l为余弦函数的周期长度（即频率）。通过对单胞结构进行阵列成3×3的鸡蛋盒结构，同时用四片蛋盒结构形成对立式蛋盒结构。在其两端放置两块刚性板用于结构加载。

2 对立式蛋盒结构的仿真分析

利用 ANSYS Workbench 计算平台对结构进行有限元模拟仿真。结构的材料模型均选为ABS，其属性参数分别为杨氏模量E=2.2GPa，泊松比μ=0.394，密度=1050kg/m3，屈服强度=50MPa。模型下表面完全固定约束，上表面施加位移荷载x=3mm。进行压缩分析时，采用控制变量法分别对振幅h、周期l以及厚度t进行了分析，以归纳总结出三种几何参数对结构的影响规律。

3 结果与讨论

本文基于ANSYS Workbench有限元仿真平台，分析了振幅h、周期l以及厚度t三种几何参数对结构的影响规律，具体实验分组如表1，仿真结果如图1。

由图1可知，因加载方式为位移荷载，各情况下的最大位移值相差无几。当固定周期值和厚度时，随着振幅值得提高，鸡蛋盒中出现的最大mises应力值先减小，后增大，最小值为24.945MPa。而最大应变能最大体呈下降趋势，最大值为2.076mJ。当控制厚度和振幅不变时，结构中的最大mises应力值随着周期的增加而逐渐下降，最小值为23.977MPa。同时最大应变能先增大，后减小，最大值为1.9554mJ。当控制振幅和周期不变时，随着结构厚度的增加，两者都呈上升趋势。最小mises应力值25.396MPa，最大应力值为2.7262mJ。

4 结语

基于有限元仿真平台对鸡蛋盒结构进行参数化分析，发现在特定的参数组合下，该结构出现了优异的吸能能力和静力学能力。具体结论如下。

（1）当结构厚度增加时，结构的吸能效果越好；（2）当鸡蛋盒的振幅h=10mm、周期l=60mm以及厚度t=1.2mm时，鸡蛋盒既符合实际情况，又能达到最佳状态。

该研究为鸡蛋盒结构在桥梁防撞中的应用奠定了基础。后期通过优化结构的几何模型以及材料，制作出具有超高吸能能力的结构以应用在桥梁防撞结构中，降低桥梁受撞击时造成的伤害。

参考文献

[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.