多孔周期结构临界状态及在土木工程中的应用研究

　　摘 要 负泊松比（NPR）结构是近年研究的一大热点，国内外学者研究其在静力荷载和动力荷载作用下的相关性质，以此探究其超常的性能。本文借助有限元仿真平台，对两种多空周期夹层结构进行压缩仿真分析，探究其由弹性状态过渡到塑性状态的临界压力。发现CHS具有更高力学性能，其可以延缓结构进入塑性变形的能力。文章末尾给出未来研究方向。
　　关键词 多孔周期结构；有限元仿真；临界状态
　　引言
　　近年来，不少学者同时优化设计负泊松比结构以将其应用到更多域中。Ario I[1]等人利用负泊松比结构的超高吸能能力，提出了可移动桥梁的概念。同样，该性能也让其在车辆缓冲减震装置中得到应用[2-4]。因此研究负泊松比材料具有深刻的理论意义和参考价值。本文在前人研究的基础上，通过静力学仿真实验，探究两种夹层结构的临界应力。
　　1 有限元仿真分析
　　本文模型的参数参考了文献[5]，胞元平面构型由横向长度，纵向长度和，内凹角以及胞元壁厚t表示，胞元厚度用表示。胞元阵列后形成长为，宽为的多孔周期結构。两种胞元对应着对应的蜂窝结构为传统型蜂窝结构（Traditional Honeycomb Structure，
　　THS）和内凹型蜂窝结构（Concave Honeycomb Structure，CHS）。
　　利用ANSYS Workbench计算平台进行有限元模拟仿真。仿真时温度设置为22 ℃。两种结构的材均为参数分别为杨氏模量=200 GPa，泊松比=0.3，密度=7 850 Kg/m3，屈服强度=250 MPa。模型上表面施加均布荷载，下表面采用完全固定约束，对结构进行压缩仿真分析。
　　由前文分析可知，THS和CHS除了胞元结构构型不同以外，其他几何参数均相等。为探究两种结构从弹性变形过渡到塑性变形的临界应力，我们改变作用面上的荷载P的大小，通过有限元仿真分析，求出在不同荷载作用下，THS2和CHS两种的最大总位移V1，V2和最大mises应力值P1，P2。计算出结构达到屈服强度时所对应的外荷载，即为其临界压力。部分结果见表2、表3。
　　比较分析表2和表3发现，CHS的临界应力为2.95MPa左右，而相同条件下THS的临界应力为2.828MPa左右，两者相差0.122MPa，THS先与CHS进入塑性形变。不因此，负泊松比效应不仅会提高结构的刚度，同时也会提高结构的静力学性能，减缓结构进入塑性变形的时间。
　　2 结束语
　　本文分析研究了两种多孔周期结构的临界压力，发现相同条件下，CHS的临界压力高于THS，验证了负泊松比效应的超常性能，为后续的研究提供基础。未来我们可以通过改变胞元结构的几何参数，以得到性能最优的多孔周期夹层结构，为其土木工程中得到更好的应用做铺垫。
　　参考文献
　　[1] Ario I，Nakazawa M，Tanaka Y，et al. Development of a prototype deployable bridge based on origami skill[J]. Automation in Construction，2013，32（32）：104-111.
　　[2] Ma J. Energy absorption of thin-walled square tubes with a prefolded origami pattern—Part I： Geometry and numerical simulation[J]. Journal of Applied Mechanics，2014，81（1）：1003.
　　[3] Zhou C，Wang B，Ma J. Dynamic axial crushing of origami crash boxes[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2016，（118）：1-12.
　　[4] 王博，周才华，由衷. 预折纹管在低速冲击载荷作用下的能量吸收[J]. 爆炸与冲击，2015，35（4）：473-481.
　　[5] 岑神德. 一种新型负泊松比蜂窝结构的冲击动力学研究[D]. 广州：暨南大学，2018.

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