59 / 2021-03-30 15:27:36

仿贝壳复合材料抗冲击性能的有限元仿真研究

交错微观结构；雉尾；反雉尾；冲击和穿透；能量耗散

       贝壳珍珠母是一种具有类似“砖墙结构”的复合物，由脆性文石晶体以及柔软的有机生物聚合物组成的层状复合材料。尽管珍珠层中文石晶体的含量高达95%，但其断裂韧性却是普通碳酸钙的3000多倍，这主要归功于其巧妙的微结构——波纹状的文石片、片间的大量交界面以及“砖墙”结构。保护内部器官免受外界动态载荷的影响是贝壳的主要功能之一，然而，对于贝壳及仿贝壳复合材料冲击载荷下的力学行为，当前知之甚少。

       贝壳珍珠母中有三种典型的“砖墙”结构，即平板、雉尾和反雉尾，受其启发，本文系统研究了这三种结构仿贝壳复合材料板的抗冲击性能和能量耗散机制。通过有限元模拟，分析了弹丸的位移和动能，以及复合材料板在冲击过程中的动能、塑性耗散能、摩擦耗散能和损伤耗散能。结果表明，对于冲击反弹模型，反雉尾结构的刚度较大但韧性较差，主要的耗能机制是塑形耗散。对于穿透型模型，较大结构倾角的雉尾结构抗冲击性能优于反雉尾结构；长细比较小时，主要耗能机制是碎片脱落带走的动能，随着长细比的增加，其主要的能量耗散机制逐渐转变为塑形耗散。这些发现和结论对高抗冲击性能的仿生复合材料设计具有重要的指导意义。