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原文传递桥墩负泊松比蜂窝防车撞结构耐撞性与优化设计研究

论文题名：	桥墩负泊松比蜂窝防车撞结构耐撞性与优化设计研究
关键词：	桥墩结构;防车撞结构;耐撞性能;优化设计
摘要：	随着交通运输业的快速发展，中国桥梁和车辆的数量逐年增加，发生车-桥碰撞事故的可能性随之升高，桥墩在车辆碰撞事故中可能会产生失稳、倒塌等损伤，对人员安全和交通运输造成了巨大的威胁，因此开展桥墩防车撞研究存在必要性和较高的研究价值。针对城市内车辆行驶区域受限的特征，本文设计了一种具备占用空间小、吸能效果好等优点的新型负泊松比蜂窝钢质防车撞结构，采用数值仿真方法开展了防车撞结构的耐撞性能研究，并基于全局响应面法，以结构吸能和碰撞力为指标，进行防车撞结构的耐撞性优化设计。本文具体研究内容如下：　　首先，调研并参考相关文献中的负泊松比蜂窝结构落锤冲击试验，开展数值仿真方法可靠性验证，以结构等质量原则为前提，在相同的碰撞条件下，对4种常见的负泊松比蜂窝结构形式进行了耐撞性研究。对比分析4种结构的碰撞力峰值、结构吸能和结构撞深等3个耐撞性指标，结果表明，4种负泊松比蜂窝结构的结构吸能值相近，削减碰撞力效果最优的是星形，其碰撞力峰值削减系数约为其它形式的2倍，产生撞深最小的是正弦形，约为其他形式的1/2。据此获得体积小、碰撞力削减效果好的由星形与正弦形等厚结合的新型负泊松比蜂窝结构形式，并讨论了撞击方向上胞元排列次序对结构耐撞性的影响，结果表明，星正形耐撞性能表现更优；　　其次，参考相关规范设计了一种新型负泊松比蜂窝钢质防车撞结构，根据不同胞元大小，提出了2层、4层两种结构形式，在50km/h、60km/h、100km/h正、侧撞工况下开展了实车碰撞场景下防车撞结构的耐撞性数值仿真研究，以车辆碰撞刚性墙和普通正六边形蜂窝防车撞结构为对照，从结构吸能、碰撞力峰值及应力分布、撞深及变形等角度分析了负泊松比蜂窝防车撞结构的防护效果，结果表明，相比普通正六边形蜂窝防车撞结构，新型负泊松比蜂窝防车撞结构吸能更多，碰撞力峰值更小，结构应力分布更均匀，在不超过结构设计厚度的情况下，撞深更大，材料利用更充分，更适合作为防撞结构。另外，4层胞元的新型负泊松比蜂窝防车撞结构整体耐撞性优于2层胞元的新型负泊松比蜂窝防车撞结构；　　最后，将新型负泊松比蜂窝防车撞结构的8个板厚作为设计变量，采用部分因子试验设计方法进行了因子筛选研究。由于不同板厚对碰撞力峰值、结构吸能、结构撞深及质量具有不同程度的影响，最终保留所有板厚作为优化的设计变量，以碰撞力、结构吸能及质量为设计指标，基于Hyperstudy软件的全局响应面法，对防车撞结构开展多目标的耐撞性优化设计。获得了耐撞性能最佳的轻质量防车撞结构板厚组合，使防车撞结构吸能增多15.6%，碰撞力峰值降低50.6%，撞深增大了73.6%，结构材料得到充分利用，同时减轻了58.0%的质量，优化效果良好。
作者：	李娜
专业：	结构工程
导师：	潘晋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021