兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 240118-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0118
杨帆1,2,3,*(), 秦子尚1, 李达诚2, 胡兆财4, 解维华1, 孟松鹤1
收稿日期:
2024-02-22
上线日期:
2024-04-28
通讯作者:
基金资助:
YANG Fan1,2,3,*(), QIN Zishang1, LI Dacheng2, HU Zhaocai4, XIE Weihua1, MENG Songhe1
Received:
2024-02-22
Online:
2024-04-28
摘要:
节肢动物外骨骼中发现的布立冈结构已被证实是提升其动态力学性能的关键。借助结构仿生概念开展纤维增强复合材料微结构设计有望为高性能航天材料提供创新解决途径与思路。通过制备不同构型的层合板材料,借助霍普金森压杆、力学试验机等试验技术对比研究了布立冈型仿生材料与准各向同性铺层材料的动静态力学行为。试验结果表明:随着应变率的提高(≮1850s-1),小螺旋角能够将其韧性提升至少17.4%;准静态压缩下其能量吸收能力达到21.25J/g,相比准各向同性构型提升至少42.4%,这些都可以归因于布立冈构型试样所展出的塑性强化能力。落锤冲击仿真与试验结果进一步表明,仿生构型能够获得极佳的能量耗散与冲击防护特性。
中图分类号:
杨帆, 秦子尚, 李达诚, 胡兆财, 解维华, 孟松鹤. 布立冈型螺旋纤维仿生复合材料动静态力学行为[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240118-.
YANG Fan, QIN Zishang, LI Dacheng, HU Zhaocai, XIE Weihua, MENG Songhe. Static and Dynamic Mechanical Behaviors of Bouligand-type Biomimetic Composite Materials[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(2): 240118-.
参数 | ρ/ (kg·m-3) | E11/ GPa | E22=E33/ GPa | v12=v13=v23 | G12=G13=G23/ GPa | Xt/ MPa | Xc/ MPa | Yt/ MPa | Yc/ MPa | S/ MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 1700 | 110 | 7.8 | 0.32 | 40 | 2093 | 870 | 50 | 198 | 104 |
表1 单层板力学性能参数
Table 1 The mechanical properties of UD ply
参数 | ρ/ (kg·m-3) | E11/ GPa | E22=E33/ GPa | v12=v13=v23 | G12=G13=G23/ GPa | Xt/ MPa | Xc/ MPa | Yt/ MPa | Yc/ MPa | S/ MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 1700 | 110 | 7.8 | 0.32 | 40 | 2093 | 870 | 50 | 198 | 104 |
工况编号 | 释放气压/ MPa | 冲击速度/ (m·s-1) | 应变率/ (s-1) |
---|---|---|---|
1 | 0.25 | 10.45~11.02 | ~1200 |
2 | 0.31 | 14.17~14.60 | ~1 600 |
3 | 0.50 | 17.65~18.04 | ~1850 |
表2 试样工况
Table 2 Test condition
工况编号 | 释放气压/ MPa | 冲击速度/ (m·s-1) | 应变率/ (s-1) |
---|---|---|---|
1 | 0.25 | 10.45~11.02 | ~1200 |
2 | 0.31 | 14.17~14.60 | ~1 600 |
3 | 0.50 | 17.65~18.04 | ~1850 |
工况编号 | 动态压缩强度/MPa | 韧性/(N·mm-2) | 断裂应变 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
α=45° | α=24° | α=12° | α=45° | α=24° | α=12° | α=45° | α=24° | α=12° | |
1 | 83.9 | 75.4 | 51.4 | 12.43 | 14.39 | 14.82 | 0.316 | 0.375 | ~0.440 |
2 | 107.1 | 92.0 | 78.7 | 18.14 | 20.94 | 22.29 | 0.361 | 0.433 | ~0.441 |
3 | 123.5 | 113.4 | 90.8 | 22.81 | 24.85 | 26.78 | 0.388 | 0.454 | ~0.469 |
表3 动态压缩试验结果
Table 3 SHPB test results
工况编号 | 动态压缩强度/MPa | 韧性/(N·mm-2) | 断裂应变 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
α=45° | α=24° | α=12° | α=45° | α=24° | α=12° | α=45° | α=24° | α=12° | |
1 | 83.9 | 75.4 | 51.4 | 12.43 | 14.39 | 14.82 | 0.316 | 0.375 | ~0.440 |
2 | 107.1 | 92.0 | 78.7 | 18.14 | 20.94 | 22.29 | 0.361 | 0.433 | ~0.441 |
3 | 123.5 | 113.4 | 90.8 | 22.81 | 24.85 | 26.78 | 0.388 | 0.454 | ~0.469 |
α/(°) | 平均强度/MPa | 破坏位移/mm | 吸收能量/(J·g-1) |
---|---|---|---|
45 | 421.9 | 1.16 | 14.92 |
24 | 312.5 | 1.34 | 19.90 |
12 | 163.0 | ≮2.5 | 21.25 |
表4 准静态压缩实验结果
Table 4 Results of quasi-static compression experiments
α/(°) | 平均强度/MPa | 破坏位移/mm | 吸收能量/(J·g-1) |
---|---|---|---|
45 | 421.9 | 1.16 | 14.92 |
24 | 312.5 | 1.34 | 19.90 |
12 | 163.0 | ≮2.5 | 21.25 |
编号 | 厚度/mm | 铺层顺序 | 备注 |
---|---|---|---|
C1 | 4 | [θ1/θ2/…/θ16=θ15+α]s | θ1=0°;α=45° |
C2 | [θ1/θ2/…/θ16=θ15+α]s | θ1=0°;α=24° | |
C3 | [θ1/θ2/…/θ16=θ15+α]s | θ1=0°;α=12° | |
C4 | [θ1/θ2/…/θ32=θ31+α] | θ1=0°;α=5.8° |
表5 试样铺层顺序
Table 5 Specimen lay-up sequence
编号 | 厚度/mm | 铺层顺序 | 备注 |
---|---|---|---|
C1 | 4 | [θ1/θ2/…/θ16=θ15+α]s | θ1=0°;α=45° |
C2 | [θ1/θ2/…/θ16=θ15+α]s | θ1=0°;α=24° | |
C3 | [θ1/θ2/…/θ16=θ15+α]s | θ1=0°;α=12° | |
C4 | [θ1/θ2/…/θ32=θ31+α] | θ1=0°;α=5.8° |
性能 | 数值 |
---|---|
弹性刚度Kn | 850MPa |
剪切刚度Ks=Kt | 850MPa |
拉伸强度Tn | 3.3MPa |
剪切强度Ts=Tt | 7MPa |
法向断裂能Gn | 0.306N/mm |
剪切断裂能Gs=Gt | 0.632N/mm |
模式混合参数η | 1.45 |
表6 [20] 层间损伤模型参数
Table 6 Cohesive properties and fracture energy
性能 | 数值 |
---|---|
弹性刚度Kn | 850MPa |
剪切刚度Ks=Kt | 850MPa |
拉伸强度Tn | 3.3MPa |
剪切强度Ts=Tt | 7MPa |
法向断裂能Gn | 0.306N/mm |
剪切断裂能Gs=Gt | 0.632N/mm |
模式混合参数η | 1.45 |
样件 编号 | 厚度/ mm | 铺层顺序 | 冲击能 量/J |
---|---|---|---|
A | 2.5 | [-45/0/0/45//0/-45/0/45/0/0]s | 11.30 |
B | 3.25 | [45/0/0/0/-45/90/45/0/0/-45/90/45/0]s | 20.09 |
表7 试验工况参数
Table 7 The test parameters
样件 编号 | 厚度/ mm | 铺层顺序 | 冲击能 量/J |
---|---|---|---|
A | 2.5 | [-45/0/0/45//0/-45/0/45/0/0]s | 11.30 |
B | 3.25 | [45/0/0/0/-45/90/45/0/0/-45/90/45/0]s | 20.09 |
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doi: 10.1038/s41467-022-30873-9 pmid: 35668100 |
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