冲击荷载作用下仿生双正弦波纹点阵结构动态响应数值模拟研究

作     者：孔祥清 常雅慧 张宁 张明亮 张瑞祥 丁小轩 

作者机构：辽宁工业大学土木建筑工程学院 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院 松山湖材料实验室 

出 版 物：《复合材料学报》 (Acta Materiae Compositae Sinica)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2022YFA1403504) 广东省基础与应用基础研究基金区域联合基金项目(2022A1515140003) 

主　　题：仿生点阵结构 有限元模型 动态冲击 微结构几何参数 能量吸收 

摘      要：为了探究仿生双正弦波纹点阵结构（Bio-inspired bi-directional corrugated lattice structure，BBCLS）的抗冲击性能，采用ANSYS/LSDYNA有限元分析软件建立了其在冲击荷载作用下的有限元数值模型，并基于已有的试验结果与数值模拟结果进行了对比，验证了该模型的有效性。在此基础上，研究了不同冲击速度对BBCLS的应力分布、变形模式、承载能力以及能量吸收特性的影响，并与传统体心立方点阵结构（BCC）进行了对比。同时利用该数值模型进一步分析了振幅、波纹数和胞壁厚度等微结构几何参数对BBCLS抗冲击性能的影响。研究结果表明：BBCLS在冲击荷载作用下的承载能力、吸能总量及比能量均明显优于传统的BCC点阵结构。BBCLS的冲击动力学响应主要与冲击速度和微结构几何参数有关。在低速冲击时，BBCLS呈现整体变形模式；中高速冲击时，结构向局部变形模式转换。随着冲击速度的提高，增大振幅、波纹数、胞壁厚度均使结构在受到冲击载荷时应力分布均匀，有效增加了冲击端的平台应力。此外，微结构几何参数的改变对结构比吸能以及综合比吸能有显著影响。由于波纹数的增大，BBCLS的承载能力、刚度和吸能性均大幅度提高，当波纹数为8，冲击速度达到100m/s，相比于波纹数为5，冲击速度为10m/s比能量吸收提高201.36%。研究结果为研究仿生点阵结构的冲击变形失效和吸能效果提供了力学依据。