
					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 | 
| [1] |  
											  | 
										
| [2] |  
											  | 
										
| [3] |  
											  | 
										
| [4] |  
											  doi: 10.1038/s41467-019-13978-6 pmid: 31932633  | 
										
| [5] |  
											  | 
										
| [6] |  
											  | 
										
| [7] |  
											  王瑜, 武晓东, 安连浩, 等. 仿生螺结构复合材料动态断裂行为的实验研究和数值模拟[J]. 复合材料学报, 2022, 39(12):6156-6167. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [8] |  
											  | 
										
| [9] |  
											  | 
										
| [10] |  
											  | 
										
| [11] |  
											  doi: 10.1038/s41467-022-30873-9 pmid: 35668100  | 
										
| [12] |  
											  | 
										
| [13] |  
											  | 
										
| [14] |  
											  | 
										
| [15] |  
											  | 
										
| [16] |  
											  | 
										
| [17] |  
											  肖俊孝, 庞宝君, 唐钧跃, 等. 月壤水冰模拟样本SHPB试验及反射波特性分析[J]. 深空探测学报, 2022, 9(2):150-156. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [18] |  
											  蔡宣明, 张伟, 徐鹏, 等. 一维应力动态加载下战斗部装药力学响应预报模型[J]. 兵工学报, 2019, 4(40):762-768. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [19] |  
											  | 
										
| [20] |  
											  | 
										
| [21] |  
											  | 
										
| [22] |  
											  | 
										
| [23] |  
											  | 
										
| [24] |  
											  | 
										
| [1] | 马立, 范霁康, 张建, 从保强, 杨东青, 彭勇, 王克鸿. 超音频脉冲电流叠加对高氮钢GMA增材制造组织性能的影响[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231097-. | 
| [2] | 李祥辉, 张兴渝, 胡家豪, 刘洋, 马伯翰, 王永刚, 蒋招绣. AISI 4340钢靶大塑性模型及断裂起始模型参数研究[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231210-. | 
| [3] | 高茂国, 刘睿, 郭岩松, 耿恒恒, 陈鹏万. HfZrTiTaAl系高熵合金动态变形、损伤及破坏行为[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231183-. | 
| [4] | 徐跃跃, 张向荣, 高家乐, 刘战伟, 苗飞超, 刘攀, 周霖. DNP基熔铸炸药的力学性能和失效准则[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 3114-3124. | 
| [5] | 曹路晴, 乔扬, 谢晶, 陈鹏万. 石墨烯气凝胶的压缩力学性能研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2364-2373. | 
| [6] | 韩瑞, 李晓鹏, 彭勇, 闫德俊, 王克鸿. SiCp/2024Al复合材料热挤压对激光焊接接头组织性能的影响[J]. 兵工学报, 2024, 45(6): 2054-2064. | 
| [7] | 项新梅, 罗林林, 符祖书, 何世珠. 梯度模式对Miura-ori超材料力学性能影响的研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 618-627. | 
| [8] | 董理赢, 谭向龙, 吴艳青, 杨昆. 新型GAP/RDX/TEGDN推进剂宽应变率下的力学性能及模型参数标定[J]. 兵工学报, 2024, 45(12): 4517-4529. | 
| [9] | 胡敖博, 赵超越, 陈进, 陈鹏, 李鹏, 孙兴昀, 蔡水洲. Zr基BMG-W含能破片的力学性能与毁伤性能[J]. 兵工学报, 2024, 45(12): 4407-4422. | 
| [10] | 徐浩然, 温垚珂, 董方栋, 覃彬, 沈鲁豫. SEBS凝胶的创伤弹道特性[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 4071-4080. | 
| [11] | 李一凡, 付佳维, 杨雕, 李延泽. 某大口径火炮内膛结构对挤进过程身管内壁载荷的影响[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 4106-4118. | 
| [12] | 袁璟, 蔺向阳, 彭洋, 檀成. 光固化含能粘合剂的设计与合成[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 2023-2032. | 
| [13] | 杜雨田, 许泽建, 虎宏智, 黄风雷. 金属材料动态剪切测试方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(5): 1502-1512. | 
| [14] | 李忠华, 陈彦磊, 刘斌, 蒯泽宙, 路声宇, 史京帅. 选区激光熔化复合成形钢铜异质结构界面微观组织与力学性能[J]. 兵工学报, 2023, 44(2): 605-614. | 
| [15] | 蒋明飞, 许辉, 黄陈磊, 刘坤, 吴志林. 弹道明胶动态力学性能试验与本构模型研究[J]. 兵工学报, 2022, 43(9): 2113-2120. | 
| 阅读次数 | ||||||
| 
												        	全文 | 
											        	
												        	 | 
													|||||
| 
												        	摘要 | 
												        
															 | 
													|||||
 京公网安备11010802024360号    京ICP备05059581号-4