周期性鸡蛋托盘横向压缩性能在土木工程中的应用研究

李众 魏百娲

摘  要：该文研究鸡蛋托盘仰角α的变化对其力学性能的影响。发现相同荷载作用下：（1）当α=58°时，出现最小总位移量0.147mm;当α=45°时，出现最小应力值76.344MPa。（2）当α=70°时，出现最大总应变能73.868MJ。（3）最大mises应力值与仰角成正相关。鸡蛋托盘结构的仰角α对其力学性能有较大的影响。不难看出，仰角对鸡蛋托盘结构的影响较大。合理控制仰角可使其更好地应用在土木工程中。

关键词：鸡蛋托盘结构  土木工程  仰角  力学性能

中圖分类号：TU511                                 文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）04（b）-0047-02

鸡蛋托盘是生活中一种常见的结构，因其能有效防止鸡蛋破裂而被人关注。Yoo S H[1]等人对泡沫填充的复合鸡蛋盒面板进行压缩试验，发现低密度泡沫填充鸡蛋箱板具有最理想的能量吸收能力。Xiaotian Z[2]等人对蛋箱结构进行了冲击分析，发现其具有比平板更好的吸能能力。文献[3]对蛋盒结构和蜂窝六边形结构进行比较分析，发现两者的吸能效果相似。

该文在前人研究的基础上，对蛋盒结构进行参数化分析，以探究蛋盒结构几何参数对其力学性能的影响，为其以后的应用做铺垫。

1  蛋盒型结构的有限元模型

假设蛋盒单胞结构的形貌完全相同，且蛋盒型结构是由多个单胞结构排列组合而成。将成形的胞元结构进行阵列后，便可得到完整的蛋盒型结构。该文蛋盒模型的参数参考了文献[4]，蛋盒型结构如图1。其结构参数包括横向长度l=70mm、纵向长度h=20mm、仰角α、胞元壁厚t=1mm以及l1=7.5mm。将成型的单胞结构进行阵列，形成3×3的蛋盒型结构，并在其的两端加上相同的两块板用于结构的加载。

2  有限元法分析仰角α对结构的影响规律

该文利用ANSYS Workbench计算平台，对结构进行有限元仿真。将仿真时温度设置为22℃以更好地模拟真实工况。结构的材料模型均选为结构钢，其属性参数分别为杨氏模量E=200GPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7850kg/m3、屈服强度υ=250MPa。模型下表面采用完全固定约束。上表面施加均布荷载P=0.05MPa，以此进行压缩仿真分析。

3  结果与讨论

该文探究仰角α对结构的影响规律;同种荷载下，变化仰角α的取值;探究结构中出现的最大mises应力值、最大总位移量以及总应变能的变化，结果如表1。

由表1可得到如下结论：

（1）随着仰角α取值的变化，最大总位移量出现非线性变化。在α=58°时取得最小值0.14797mm;在α=70°时，取得最大值0.47824mm。

（2）结构中出现的最大mises应力值与仰角α的取值成正相关。在弹性形变区域内，随着仰角α的增大，结构中的最大mises应力值也随之增大。

（3）结构的总应变能与仰角α成非线性关系，且受其影响较大。当α=48°时，总应变能取得最小值25.502MJ;当α=70°时，取得最大值73.868MJ。

4  结语

综上所述，鸡蛋托盘的仰角α对结构的性能有着极大的影响，且其值与最大总位移量和总应变能成非线性相关，与最大mises应力值成线性相关。该研究结论为鸡蛋托盘结构在土木工程中的承重结构以及防撞结构中的应用奠定基础。

参考文献

[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，Fleck 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作者简介：李众（1998，3—），男，汉族，重庆人，本科，研究方向：土木工程及力学方面。