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仿贝壳复合材料抗冲击性能的有限元仿真研究

仿贝壳复合材料；雉尾结构；长细比；结构倾角；抗冲击性能

计算力学在工程中的应用 > 复合材料力学

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，才使得贝壳具有高强度和高韧性。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。受贝壳增强增韧机制的启发，本文以贝壳的波纹状结构为基础，设计出雉尾结构和反雉尾结构，并以平面结构的复合材料板为对照。复合材料板中硬物质片的长细比、结构倾角和弹丸冲击速度为三个研究变量，探究这些变量对仿贝壳复合材料结构抗冲击性能的影响。建立了铝合金AA7075/增韧环氧树脂的仿贝壳结构数值模型，并进行抗冲击性能研究。通过观察仿贝壳结构的破坏模式，分析弹丸冲击前后的动能变化以及冲击过程中复合材料板的各种能量如总耗散能、动能、应变能、塑性耗散能、摩擦耗散能、损伤耗散能的变化，数值结果表明，长细比越大，复合材料板的抗冲击性能越好；不同冲击速度下，结构倾角对复合材料板的抗冲击性能影响比较大。本文中材料力学性能和微结构之间关系的研究将会为设计和制备仿贝壳复合材料提供重要的指导。