摘 要

负泊松比夹层结构以其质轻、吸能特性好等优良特性，在航空航天、汽车和医疗等领域都有广泛的应用。本文立足于船桥碰撞的背景，采用数值模拟的方法探讨内凹六边形负泊松比结构在低速冲击载荷下的耐撞性能，为内凹六边形负泊松比夹层结构应用于桥梁防船撞装置设计提供有益的参考。本文主要研究工作如下：

(1) 基于有限元软件Ansys/LS-DYNA验证有限元方法的有效性，通过构建仿真模型来，比较各种形式的内凹六边形夹层板结构的碰撞特性。

(2) 对单层夹层板的耐撞性影响因素作了全面分析，包括内凹深度、密实度、变厚度等影响因素。结果表明内凹深度在一定范围内深度越大越小、密实度越小时，结构的弹性恢复性越好，但能承受的极限冲击力越小。

(3) 对于受顶部冲击的内凹六边形夹层板三维模型与受侧向冲击的三维模型进行对比。结果表明，带有侧板的三维夹层结构顶部冲击的能量吸收率较侧向冲击的小。

关键词：内凹六边形夹层板；耐撞性；数值模拟；结构参数；多层。

Abstract

Negative Poisson's ratio sandwich structure is widely used in aerospace, automotive and medical fields because of its light weight, good energy absorption and other excellent characteristics. In this paper, based on the background of ship bridge collision, the numerical simulation method is used to study the crashworthiness of the concave hexagon negative Poisson's ratio structure under the low-speed impact load, which provides a useful reference for the application of the concave hexagon negative Poisson's ratio sandwich structure in the design of the anti ship collision device of the bridge. The main research work of this paper is as follows:

(1) Based on the finite element software LS-DYNA, the validity of the finite element method is verified. The error between the numerical simulation results and the experimental results is within the acceptable range. It is proved that the method can be used in the numerical simulation of low-speed impact of sandwich panel structure.

(2) The impact factors of the single-layer sandwich panel are analyzed, including the depth of the concave, the density and the variable thickness. The results show that the larger the depth and the smaller the density, the better the resilience of the structure, but the smaller the ultimate impact force.

(3) The three-dimensional model of hexagonal sandwich panel impacted by the top is compared with that impacted by the side. The results show that the energy absorption rate of three-dimensional sandwich structure with side plate is smaller than that of lateral impact.

Keywords: Negative Poisson's; crashworthiness; numerical simulation; structural parameters; multi-layer

目录

摘要 2

第一章 绪论 5

1.1研究背景及意义 5

1.1.1国内船撞桥事故统计 5

1.1.2防撞装置从“二不坏”到“三不坏”的飞跃 6

1.1.3负泊松比材料的特性 7

1.1.4负泊松比结构应用在桥梁防撞装置上的可能性 8

1.2.国内外研究现状 8

1.2.1负泊松比结构国内外研究现状 8

1.2.2国内外研究现状的分析 9

1.3本文所做主要工作 9

第二章 内凹六边形负泊松比结构的仿真 10

2.1夹层板结构的模型建立 10

2.1.1内凹六边形夹层板结构的模型建立 10

2.2仿真结果 13

2.3本章小结 24

第三章 内凹六边形负泊松比结构优化设计 25

3.1内凹深度优化 25

3.2单元密度优化 29

3.3变厚度夹层板优化 35

3.4本章小结 38

第四章 内凹六边形负泊松比结构三维碰撞 39

4.1三维模型的建立 39

4.2负泊松比结构三维模型顶部受冲击研究 40

4.3负泊松比结构三维模型侧边受冲击研究 44

4.4本章小结 46

第五章 本文总结 47

5.1结论 47

5.2展望 48

参考文献 49

致谢 52

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1国内船撞桥事故统计

近年来，跨江桥梁不断增多，船撞桥事件时有发生，也越来越为人们所重视。表格1统计了某轮船公司在重庆到上海段1985-1990年的船撞桥事故。

表格1事故统计表

可以看出在1985-1990年之间船碰桥事故发生的频率较高并且所产生的后果也是较为严重的其中，1987年九江长江大桥发生了擦伤事故，1985年重庆长江大桥发生了船撞灯船事故，1989年发生了驳船撞击南京长江大桥桥墩，1990年南京长江大桥遭受轮船碰撞导致混凝土层发生破坏。1994年武汉长江大桥发生了桥墩触损事故。

由数据^[[1]]可以看出，虽然船碰墩的概率在所有的事故占比大约1%左右，然而却有许多影响不大的事件发生：