仿珍珠层结构的抗冲击性优化设计

【作者】 吴开金； 何陵辉； 倪勇；

【机构】 中国科学技术大学工程科学学院近代力学系；

【摘要】 高强高韧的自然贝壳的珍珠层具有多层级的砖块-灰泥形式的微结构,是天然的抗冲击盔甲,并进而成为轻质、高抗冲击性复合材料设计的模板结构。已有的研究主要关注珍珠层结构在静态加载或简单一维动态加载的力学响应,珍珠层结构的最优抗冲击性能与其微结构成分的关系仍不清楚。本文中,我们建立了仿珍珠层结构的三维有限元模型去分析结构抗冲击性与界面强度以及冲击速率间的关系。冲击荷载下,珍珠层结构的最优界面强度的出现是砖块层放射状裂纹扩展与界面脱层耦合作用的结果,对应结构最大的能量耗散。同时,在不同的冲击速度下,珍珠层结构存在三种失效模态:脱层主导模式、过渡模式以及穿孔模式。由于高冲击速率下珍珠层结构趋向于穿孔破坏,最优界面强度随着冲击速度的增加而减小。我们做出了不同界面强度和冲击速率下的珍珠层结构失效模态的相图。进一步,我们利用3D打印技术制作了仿珍珠层结构的样品,并通过落锤冲击实验观察珍珠层结构在不同冲击速率下的失效模态及冲击响应。实验结果证明砖块层内的放射状裂纹扩展以及界面脱层耦合的失效形式是珍珠层结构抵抗冲击荷载的有效耗能方式。实验观察的不同冲击速率的珍珠层结构的失效形貌与模拟分析中的三种模态相吻合。本文给出了珍珠层结构抗冲击性能优化设计的方法:在不同冲击速率下匹配最优的界面强度可以实现结构最优抗冲击性,为轻质、高抗冲击性的先进防护材料设计提供了指导建议。更多还原