周期性雞蛋托盤橫向壓縮性能在土木工程中的應(yīng)用研究

李眾 魏百媧

摘? 要：該文研究雞蛋托盤仰角α的變化對(duì)其力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)相同荷載作用下：（1）當(dāng)α=58°時(shí)，出現(xiàn)最小總位移量0.147mm;當(dāng)α=45°時(shí)，出現(xiàn)最小應(yīng)力值76.344MPa。（2）當(dāng)α=70°時(shí)，出現(xiàn)最大總應(yīng)變能73.868MJ。（3）最大mises應(yīng)力值與仰角成正相關(guān)。雞蛋托盤結(jié)構(gòu)的仰角α對(duì)其力學(xué)性能有較大的影響。不難看出，仰角對(duì)雞蛋托盤結(jié)構(gòu)的影響較大。合理控制仰角可使其更好地應(yīng)用在土木工程中。

關(guān)鍵詞：雞蛋托盤結(jié)構(gòu)? 土木工程? 仰角? 力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU511? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（b）-0047-02

雞蛋托盤是生活中一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，因其能有效防止雞蛋破裂而被人關(guān)注。Yoo S H[1]等人對(duì)泡沫填充的復(fù)合雞蛋盒面板進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低密度泡沫填充雞蛋箱板具有最理想的能量吸收能力。Xiaotian Z[2]等人對(duì)蛋箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了沖擊分析，發(fā)現(xiàn)其具有比平板更好的吸能能力。文獻(xiàn)[3]對(duì)蛋盒結(jié)構(gòu)和蜂窩六邊形結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)兩者的吸能效果相似。

該文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)蛋盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化分析，以探究蛋盒結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能的影響，為其以后的應(yīng)用做鋪墊。

1? 蛋盒型結(jié)構(gòu)的有限元模型

假設(shè)蛋盒單胞結(jié)構(gòu)的形貌完全相同，且蛋盒型結(jié)構(gòu)是由多個(gè)單胞結(jié)構(gòu)排列組合而成。將成形的胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行陣列后，便可得到完整的蛋盒型結(jié)構(gòu)。該文蛋盒模型的參數(shù)參考了文獻(xiàn)[4]，蛋盒型結(jié)構(gòu)如圖1。其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括橫向長(zhǎng)度l=70mm、縱向長(zhǎng)度h=20mm、仰角α、胞元壁厚t=1mm以及l(fā)1=7.5mm。將成型的單胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行陣列，形成3×3的蛋盒型結(jié)構(gòu)，并在其的兩端加上相同的兩塊板用于結(jié)構(gòu)的加載。

2? 有限元法分析仰角α對(duì)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

該文利用ANSYS Workbench計(jì)算平臺(tái)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真。將仿真時(shí)溫度設(shè)置為22℃以更好地模擬真實(shí)工況。結(jié)構(gòu)的材料模型均選為結(jié)構(gòu)鋼，其屬性參數(shù)分別為楊氏模量E=200GPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7850kg/m3、屈服強(qiáng)度υ=250MPa。模型下表面采用完全固定約束。上表面施加均布荷載P=0.05MPa，以此進(jìn)行壓縮仿真分析。

3? 結(jié)果與討論

該文探究仰角α對(duì)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律;同種荷載下，變化仰角α的取值;探究結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的最大mises應(yīng)力值、最大總位移量以及總應(yīng)變能的變化，結(jié)果如表1。

由表1可得到如下結(jié)論：

（1）隨著仰角α取值的變化，最大總位移量出現(xiàn)非線性變化。在α=58°時(shí)取得最小值0.14797mm;在α=70°時(shí)，取得最大值0.47824mm。

（2）結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的最大mises應(yīng)力值與仰角α的取值成正相關(guān)。在彈性形變區(qū)域內(nèi)，隨著仰角α的增大，結(jié)構(gòu)中的最大mises應(yīng)力值也隨之增大。

（3）結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變能與仰角α成非線性關(guān)系，且受其影響較大。當(dāng)α=48°時(shí)，總應(yīng)變能取得最小值25.502MJ;當(dāng)α=70°時(shí)，取得最大值73.868MJ。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雞蛋托盤的仰角α對(duì)結(jié)構(gòu)的性能有著極大的影響，且其值與最大總位移量和總應(yīng)變能成非線性相關(guān)，與最大mises應(yīng)力值成線性相關(guān)。該研究結(jié)論為雞蛋托盤結(jié)構(gòu)在土木工程中的承重結(jié)構(gòu)以及防撞結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] Yoo S H，Chang S H，Sutcliffe M P F.Compressive characteristics of foam-filled composite egg-box sandwich panels as energy absorbing structures[J].Composites Part A： Applied Science and Manufacturing，2010，41（3）：427-434.

[2] Xiaotian Z，Tao L，Xiaogang L，et al.Hypervelocity impact performance of aluminum egg-box panel enhanced Whipple shield[J].Acta Astronautica，2016（119）：48-59.

[3] Deshpande V S，F(xiàn)leck N A.Energy absorption of an egg-box material[J].Journal of the Mechanics & Physics of Solids，2003，51（1）：187-208.

[4] HaldarA，Guan ZW，Cantwell WJ，et al.The compressive properties of sandwich structures based on an egg-box core design[J].Composites Part B： Engineering，2018（144）：143-152.

①作者簡(jiǎn)介：李眾（1998，3—），男，漢族，重慶人，本科，研究方向：土木工程及力學(xué)方面。