新型折纸型轻质结构的吸能特性研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

折纸是一个古老的东方艺术，也是一门新兴的前沿科学，处于数学、机械、力学、材料、控制、生物、医学等多个基础学科的交叉领域。美国自然科学基金会和空军科学研究局于2011年将折纸研究列为为数不多的几项前沿科学课题之一。折纸技术一直被视为是开发可展开和重构工程系统的一种手段，利用薄片容易弯曲和扭曲的灵活性特点，同时平面的结构利于储存和运输。而现代工程师们更是想方设法实现折纸结构在工程中的各种应用，例如太阳能帆板、卫星天线等大型空间可展结构、新型超材料与轻型复合材料、可变形机器人等。

miura折纸是以拉开对角两端来把物品展开，而在收缩时则反向推入的折纸技术，这方法可节省空间外，又可避免折叠和展开的过程中造成损耗。有研究发现这方法可使物件的体积减少25倍，并使能量密度加强14倍。joseph m. gattas在2013年发表的文章中提到miura和miura衍生的刚性折纸模型越来越多地应用于工程和建筑应用。然而，在现有的研究中所用的的几何建模方法一般都是杂乱的，它的模型识别和参数化变化很广泛。它主要有五个可变特性：折痕方向，折痕对齐，可展性，平面折叠性和直线性。joseph m. gattas通过改变miura模型的单项特性产生它的一阶衍生模型，并对其进行了参数化，使得其一阶衍生几何组合成复杂的分段几何。并编译了其中的参数供今后其他人的研究。但这一研究并未涉及到能量方面的研究【3】。

王博教授在2013年发表的预折纹管在低速冲击载荷作用下的能量吸收。提及为了降低结构的初始载荷、增加有效塑性变形面积，进而提高其吸能效率，王博教授研究了一种新型的预折纹管，在普通管的管壁上引入特别设计的折角。分析验证了预折纹在低速冲击载荷作用下可以引导预期的大变形模式。并验证了数值结果的可信性和预折纹方管的高效吸能特点【12】。sean s tolman在2014年发表了一篇着重于miura-ori细分曲面技术的文章，该方法的发展可以应用于吸能和力分布应用的细化模型【13】。

2. 研究的基本内容与方案

2.1．研究的基本内容：

首先建立新型折纸型轻质结构的力学模型，随后研究其在准静态至中速冲击载荷下的吸能特性，以其揭示该轻质结构的变形机理。

主要研究的内容有两部分：一是用有限元软件abaqus对建立的折纸型几何模型进行数值模拟；二是借助刚塑性上限理论对该折纸型结构的变形性机理进行理论分析。

3. 研究计划与安排

第1-3周： 查阅相关文献资料，明确研究内容，确立基本的研究思路，完成开题报告。

第4-8周： 建立折叠结构的有限元模型，掌握刚塑性上限分析方法并进行初步分析。

第9-13周：折叠结构冲击性能的有限元模拟和理论分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] cai, j., deng, x., xu, y., feng, j., 2015. geometry and motionanalysis of origami-based deployable shelter structures. journal of structuralengineering 06015001. doi:10.1061/(ascbea)st 1943-541x.0001238

[2] filipov, e. t., tachi, t., paulino, g. h., 2015.origami tubes assembled into stiff, yet reconfigurable structures andmetamaterials. pnas 201509465

[3] gatta, j. m., wu, w., you, z., 2013. miura-basedrigid origami:.parameterizations of first-level derivative and piecewisegeometries.jmd 135,111011. doi:10.1115/1.4025380