基于生物仿生的多组份层级复合结构的冲击力学行为

作     者：刘英志 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王志华

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：天然生物材料 仿生结构 3D打印 落锤冲击 有限元模拟 

摘      要：经过数百万年的优胜劣汰,自然界中能够留存下来的天然生物大都进化出独特的结构与功能,尽管这些天然生物是由性能相对单一的成分构成,但其特有的微观结构赋予其优异的力学性能。贝壳珍珠层、海螺壳及螳螂虾指节均是由大量无机相碳酸钙及少量有机基质构成的复合材料,但其各自的结构特点赋予其人工合成材料所难以比拟的性能。贝壳珍珠层是通过软硬材料层级镶嵌排列而构成的一种砖泥结构,片层与片层间存在各类形式的相互作用,使得贝壳具有较高的强度及韧性;海螺壳内部是一种三层层级跨层结构,受到外界袭扰后,裂纹在跨层结构中会沿着一种“Z字型的路径进行传播,超长的裂纹传播路径赋予海螺壳远超其他结构的强度及硬度,为头盔及防弹衣等防护设备的制造提供了良好的设计思路;螳螂虾指节是一种独特的胶合板螺旋排列结构,在捕食其他生物或者受到冲击时,螺旋排列的结构会产生大量的嵌套微裂纹,微裂纹会沿着螺旋排列的胶合板逐渐传播,避免整体结构发生灾难性破坏,因而赋予了螳螂虾指节极高的强度及韧性。各式各样的天然生物微结构排列特点为复合结构的发展提供了良好的思路,因此,通过研究天然生物材料的结构特点,构建各类具有仿天然生物材料结构的复合结构具有重大的研究意义。本文的主要研究内容为构建各类仿天然生物材料结构的仿生模型,通过实验及有限元模拟研究不同排列方式、材料体积分数及不同冲击速度对仿生结构性能的影响。论文主要做了以下两个部分的研究工作:第一部分为实验部分,首先通过增材制造技术打印了两种基体材料的标准件,并对其在准静态拉压及动态拉压条件下进行了实验,得到了两种基体材料的基本力学性能,实验结果表明硬材料是一种脆性且应变率不敏感材料,软材料受应变率影响较大。随后,结合增材制造、落锤冲击实验及数字图像相关技术(DIC)对三种仿天然生物结构及软硬基材板状试件进行了实验研究,对比了不同结构在性能上的异同点以及模型的整体变形模式,结果表明三类仿天然生物结构在性能(承载能力、可压缩变形、能量吸收)上各有所长,并且三类仿生结构均实现了性能折中,不再像基体板状材料一样只具备某类极端力学性能。第二部分为有限元模拟部分,首先通过实验验证了基体材料及复合结构模型的正确性与合理性,并且对其进行了网格敏感性的验证;随后,设计了不同类型的仿生复合结构,对其在不同的冲击速度下进行了有限元模拟,分析了不同类型的设计对结构承载、变形模式及能量吸收能力的影响。有限元结果表明通过改变结构的排列方式、软硬材料体积占比能够在很大程度上改善结构的性能,一般来说具有砖泥排布方式的模型在低速冲击下能够展现出逐层破坏模式,并且其能达到的最大压缩位移要大于对齐排列的模型;不同的软硬材料体积分数配比会对结构的承载力及能量吸收能力产生较大影响,通常来说较低软材料含量的模型具有较大的承载能力,但其可压缩变形及能量吸收能力将受到很大的影响,较大的软材料体积含量会增加结构的可变形性及能量吸收能力,但其承载能力会受到极大的影响,合理配置结构的软硬材料占比,能够实现承载能力、可变形能力及能量吸收能力的完美结合,为新型防护设备的制造提供良好的设计思路及数据上的支持。