origami結構動力學性能及其在橋梁工程中的應用

李眾 王帥 涂珞珈

摘 要：origami結構的動力學性能如抗沖擊、吸能、抗爆等性能，在建筑物防撞結構上起重要作用。本文通過比較分析了不同學者的實驗方法及結果，簡述了origami動力學性能的研究現(xiàn)狀。并簡要概述了其在橋梁工程中的應用。筆者在最后提出了未來的研究方向。

關鍵詞：origami結構;橋梁防撞;動力學性能

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。同時由于船舶噸位的增大，撞擊產(chǎn)生的后果也趨于嚴重化，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重要的研究方向。如今不少學者通過研究新型結構，制造出具有優(yōu)良動力學性能的結構，以此來解決這類問題。origami結構變成了學者的研究熱門，它較好的動力學性能為這個難題提供了解決的可能。

2 origami動力學性能

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

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。結果發(fā)現(xiàn)有屏蔽體的結構，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，帶防爆罩的結構比不帶防爆罩的結構輕約42%。即結構自重減輕的同時，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）同時進行軸向碰撞試驗，以此評價其抗沖擊性能。通過實驗及有限元仿真的方法，比較兩種材料在同一撞擊下的結果。發(fā)現(xiàn)TRT受拉應變的區(qū)域明顯增大，特別是在向內彎曲的塑性鉸中。除此之外，TRT環(huán)形表面的應變強度也略有增強，因為壓縮效果更強。由于這種更強的應變，未變形的空間更大。TRT的獨特變形特性，使更多的管壁金屬能進入更高的應變階段，從而吸收更多的能量。從協(xié)調變形強度來看，載荷均勻性也很好。所以TRT結構的抗沖擊性能有所提高。

2018年，Peiwen Zhang[3]等人通過改變結構幾何參數(shù)和外形，設計了四種可編程3D折紙管模型，然后組裝成堆疊折疊結構并用作夾層梁的芯。通過理論和數(shù)值的研究，分析堆疊折疊結構的原始折疊角對動態(tài)響應的影響。當夾層梁原始折疊角α= 45°，60°，75°和90°時，其對應的最大背面偏轉的實現(xiàn)時間分別為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結構在橋梁中的應用

上一節(jié)通過比較分析不同學者的實驗和結論，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)良的動力學性能。不少學者基于origami結構相關特性，解決橋梁當中的實際問題。

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，不少學者研究了origami在橋梁防撞工程中的應用。

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

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

4 結語

origami結構是一種典型的具有負泊松比的拉脹材料，本文簡述不同學者的實驗方法及結果，發(fā)現(xiàn)origami結構能表現(xiàn)出更好的抗沖擊性、吸能以及抗爆性等性能。同時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，其在橋梁工程中應用有著很大的研究空間和發(fā)展前景。當然，不同的學者也致力于將origami結構應用到其他領域如光學、生物、醫(yī)學等。但現(xiàn)存的研究較少且大都是在實驗和仿真層面上，未來可以研究：

（1）將Origami結構優(yōu)化并實際應用在橋梁等建筑物的防撞工程中，以達到提高結構的剛度，降低因沖撞造成的損失，同時使結構更加經(jīng)濟、耐用。

（2）不斷優(yōu)化origami結構，挖掘更多的優(yōu)良性能，達到向其他學科發(fā)展的目的。

參考文獻：

[1]Pydah A，Batra R C.Blast loading of bumper shielded hybrid two-core Miura-ori/honeycomb core sandwich plates[J].Thin-Walled Structures，2018（129）：45-57.

[2]Lu R，Liu X，Chen S，et al.Axial crashing analysis for tailor rolled square tubes with axially graded both wall thickness and material strength[J].Thin-Walled Structures， 2017（117）：10-24.

[3]Zhang P，Li X，Wang Z，et al.Dynamic blast loading response of sandwich beam with origami-inspired core[J].Results in Physics，2018（10）：946-955.

[4]豐火雷，余宜璠，歐德盼，周開發(fā).Origami結構的優(yōu)化及其在橋梁工程中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2018（02）：15-16.

[5]肖波，楊光.Origami結構在橋梁復合材料防車撞結構中的應用及其耐撞性優(yōu)化[J].工程與建設，2018，32（04）：506-509.

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