李众 王帅 涂珞珈

摘 要：origami结构的动力学性能如抗冲击、吸能、抗爆等性能，在建筑物防撞结构上起重要作用。本文通过比较分析了不同学者的实验方法及结果，简述了origami动力学性能的研究现状。并简要概述了其在桥梁工程中的应用。笔者在最后提出了未来的研究方向。

关键词：origami结构;桥梁防撞;动力学性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.099

1 引言

交通行业的飞速发展使得跨海桥梁的规模越来越大，这类桥梁易因船舶的撞击而受损。同时由于船舶吨位的增大，撞击产生的后果也趋于严重化，造成桥梁的使用寿命、承载力以及防震能下降。因此如何减轻大吨位船只冲撞桥墩造成的伤害是一个重要的研究方向。如今不少学者通过研究新型结构，制造出具有优良动力学性能的结构，以此来解决这类问题。origami结构变成了学者的研究热门，它较好的动力学性能为这个难题提供了解决的可能。

2 origami动力学性能

origami结构的拉胀性能，使其具有优良的动力学性能如抗冲击、吸能、抗爆等性能。不少学者通过提高制作工艺、增加结构夹芯以及改变结构的几何参数等方式，研究了origami结构的动力学性能。为桥梁等建筑物的防撞工程提供相应的支持。

2015年，Pydah A[1]等人分析了有屏蔽体和无屏蔽体的两芯夹层板在爆炸荷载作用下的瞬态弹塑性变形，以确定塑性变形引起的能量耗散。结果发现有屏蔽体的结构，能量高，即能耗越低，且增加与屏蔽体之间的距离d可以减少芯棒耗散的能量。因此在给定的爆炸荷载下，与等重量无屏蔽板相比，采用屏蔽板可以显著降低夹层板的能量耗散。这表明带有屏蔽的夹层板的承载能力有所增加。因此在相同的能量耗散情况下，带防爆罩的结构比不带防爆罩的结构轻约42%。即结构自重减轻的同时，能量吸收性能却没有降低。

2017年，Lu R[2]等人提高制作工艺，将制作出的轧制管材（TRT）与传统等厚管材（UT）同时进行轴向碰撞试验，以此评价其抗冲击性能。通过实验及有限元仿真的方法，比较两种材料在同一撞击下的结果。发现TRT受拉应变的区域明显增大，特别是在向内弯曲的塑性铰中。除此之外，TRT环形表面的应变强度也略有增强，因为压缩效果更强。由于这种更强的应变，未变形的空间更大。TRT的独特变形特性，使更多的管壁金属能进入更高的应变阶段，从而吸收更多的能量。从协调变形强度来看，载荷均匀性也很好。所以TRT结构的抗冲击性能有所提高。

2018年，Peiwen Zhang[3]等人通过改变结构几何参数和外形，设计了四种可编程3D折纸管模型，然后组装成堆叠折叠结构并用作夹层梁的芯。通过理论和数值的研究，分析堆叠折叠结构的原始折叠角对动态响应的影响。当夹层梁原始折叠角α= 45°，60°，75°和90°时，其对应的最大背面偏转的实现时间分别为1.501，1.392，1.299和1.276ms。因此，从最大挠度和能量耗散角度来讲，具有可折叠芯的夹层梁比传统蜂窝芯和整体梁的夹层梁消耗更多能量，即具有较好的抗爆性能。此外，较小的原始折叠角度可以提供夹层梁更好的抗爆性。

3 origami结构在桥梁中的应用

上一节通过比较分析不同学者的实验和结论，发现其具有优良的动力学性能。不少学者基于origami结构相关特性，解决桥梁当中的实际问题。

由于桥梁跨径增大，跨海大桥数量越来越多，发生船舶撞击桥墩的概率大大增加。为了解决此类问题，不少学者研究了origami在桥梁防撞工程中的应用。

2018年，丰火雷[5]等人研究了origami结构在土木工程中的应用，发现origami结构可以使结构呈现出不同的形状，以此达到提高结构刚度的目的。除此之外，丰火雷[4]等人在2018年研究了一种“蛋盒”模型，它在扭转下，可以改变整体高斯曲率。在拉伸和弯曲时，它分别表现出正的和负的泊松比。此种结构在与普通结构相比较，具有更好的吸能能力，可以多角度德抵抗撞击。将其应用在桥梁防撞或高速公路防护栏中，不仅可以延长结构使用寿命，同时也能减轻事故的危害。

同年，肖光[5]等人对“蛋盒”origami结构进行了相关研究。通过实验和有限元仿真，除了得出上述结论以外，还发现用响应面法及功效系数法对结构进行优化后，发现它不仅能够削弱结构冲撞力。在满足结构的耐撞性的条件下，减轻了自重，降低了成本同时提高了材料的利用率。将此种结构运用在桥梁防撞工程中，可以有效降低撞击中的伤害。

4 结语

origami结构是一种典型的具有负泊松比的拉胀材料，本文简述不同学者的实验方法及结果，发现origami结构能表现出更好的抗冲击性、吸能以及抗爆性等性能。同时简要概述其在桥梁工程中的研究，发现其在防撞工程上能发挥出巨大作用，其在桥梁工程中应用有着很大的研究空间和发展前景。当然，不同的学者也致力于将origami结构应用到其他领域如光学、生物、医学等。但现存的研究较少且大都是在实验和仿真层面上，未来可以研究：

（1）将Origami结构优化并实际应用在桥梁等建筑物的防撞工程中，以达到提高结构的刚度，降低因冲撞造成的损失，同时使结构更加经济、耐用。

（2）不断优化origami结构，挖掘更多的优良性能，达到向其他学科发展的目的。

参考文献：

[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，欧德盼，周开发.Origami结构的优化及其在桥梁工程中的应用[J].科技创新与应用，2018（02）：15-16.

[5]肖波，杨光.Origami结构在桥梁复合材料防车撞结构中的应用及其耐撞性优化[J].工程与建设，2018，32（04）：506-509.

[6]丰火雷，余宜璠，欧德盼.Origami结构材料在机械工程和土木工程中的应用[J].门窗，2018（02）：227.