仿貝殼珍珠母層仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗沖擊性分析

祝子浩 史金飛 楊柳 薛宇昊

摘 要：研究貝殼珍珠母層的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，它具有極佳的抗沖擊性能。因此，通過仿貝殼珍珠母層的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出磚-泥夾層結(jié)構(gòu)，以期達到良好的抗爆炸沖擊性。同時，為了驗證結(jié)構(gòu)多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與磚-泥夾層結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能，通過控制框架與填充物的體積比為6∶4，分別以實體、磚-泥、多層蜂窩作為“面板-夾層-背板”的夾層。通過AUTODYN數(shù)值分析手段得出：磚-泥夾層結(jié)構(gòu)的比吸能是實體的16倍，多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的比吸能是實體的9倍;抗爆炸沖擊性能方面，多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)最優(yōu)，磚-泥夾層結(jié)構(gòu)次之，實體夾層結(jié)構(gòu)最差。

關(guān)鍵詞：仿生結(jié)構(gòu);貝殼珍珠母層;抗爆炸沖擊

中圖分類號：TB391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0028-04

Abstract： Through the structure of the shell mother-of-pearl layer， the impact resistance is very good， so this paper designs the brick-mud structure by imitating the structure of the shell mother-of-pearl layer， in order to achieve good anti-explosive impact. At the same time， in order to verify the anti-explosion impact performance of cellular structure and brick-mud， the volume ratio of control frame to fill is 6：4， and the mezzanine of panel-mezzanine-back plate is used as the "panel-mezzanine-back plate" by entity， brick-mud and multi-layer honeycomb junction respectively. The following conclusions are drawn by Autodyn numerical analysis： the brick-mud structure is 16 times more energy-absorbing than the solid， and the multi-layer cellular is 9 times; Anti-explosion impact performance is in turn the best multi-layer honeycomb mezzanine， brick-mud second， the worst entity.

Keywords： bionic structure;sandwich structure;anti-explosive impact

自然界中有許多諸如貝殼的天然生物材料具有優(yōu)異的抗沖擊力學(xué)性能[1-6]。當(dāng)貝殼受到外界的沖擊時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)，從而吸收更多的斷裂功，耗散更多的能量。因此，模仿貝殼珍珠母層的結(jié)構(gòu)設(shè)計，將有助于提高抗爆炸沖擊性。南京理工大學(xué)的聞?wù)卖斖ㄟ^研究背角無齒蚌的微觀結(jié)構(gòu)（如圖1所示），抽化出貝殼珍珠母層的微觀結(jié)構(gòu)（如圖2所示）[7]。

蜂窩結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，受到了廣泛關(guān)注。WANG等通過有限元與實驗相結(jié)合的方式，研究了分層梯度泡沫與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能，但未與磚-泥夾層結(jié)構(gòu)抗爆炸沖擊性進行對比[8]。南京理工大學(xué)的朱易將背板的變形量、比吸能以及背板后方超壓作為抗爆炸沖擊性能的評判標(biāo)準(zhǔn)進行研究，但未將背板內(nèi)應(yīng)力作為抗爆炸性能的評判標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。

本文利用仿貝殼珍珠母層的結(jié)構(gòu)設(shè)計出磚-泥夾層結(jié)構(gòu)，利用仿蜂窩設(shè)計出多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，并通過數(shù)值分析的方法，研究磚-泥夾層結(jié)構(gòu)、多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)以及實體夾層結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能。

1 仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于仿貝殼珍珠母層的抗沖擊性能，通過觀察貝殼珍珠母層的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了磚-泥夾層結(jié)構(gòu)。同時，為了驗證磚-泥夾層結(jié)構(gòu)，引入多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和實體夾層結(jié)構(gòu)作進一步對比。

1.1 磚-泥夾層結(jié)構(gòu)

磚-泥夾層結(jié)構(gòu)如圖3所示，單胞結(jié)構(gòu)尺寸為9 mm×5 mm×2 mm（長×寬×高），整體尺寸為55 mm×10 mm×10 mm（長×寬×高）。采用陶瓷作為框架材料（如圖3所示的黑色部分），采用環(huán)氧樹脂作為填充材料（如圖3所示的白色部分），框架與填充材料的體積占比為6∶4。

1.2 多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)

多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)如圖4所示，尺寸為55 mm×10 mm×10 mm（長×寬×高）。單胞結(jié)構(gòu)邊長為1 mm，壁厚為0.8 mm，相對密度為0.9。采用陶瓷作為框架材料（如圖4所示的黑色部分），采用環(huán)氧樹脂作為填充材料（如圖4所示的白色部分），框架與填充材料的體積占比為6∶4。

1.3 實體夾層結(jié)構(gòu)

實體夾層結(jié)構(gòu)如圖5所示，尺寸為55 mm×10 mm×10 mm（長×寬×高）。采用陶瓷作為框架基體材料，不需要填充。

2 有限元數(shù)值模擬和參數(shù)設(shè)置

2.1 仿真模型建立

珍珠母層的能量耗散性好，而目前的“面板-夾層-背板”是常見的抗爆炸沖擊防護結(jié)構(gòu)，尤其是夾層，吸收了大部分內(nèi)能。一般夾層吸收得越多，背板的變形量、內(nèi)應(yīng)力值背板后的超壓值越小，抗爆炸沖擊性能越好。因此，本文將實體、多層蜂窩以及磚-泥作為整個結(jié)構(gòu)的夾層結(jié)構(gòu)，并研究三者的抗爆炸沖擊性能的優(yōu)異性。

對于面板和背板的材料，本文選取STEEL 4340鋼。對于夾層，采用陶瓷作為基體材料。因為環(huán)氧樹脂抗沖擊性能較好，所以本文選取環(huán)氧樹脂作為填充材料。其中，面板和背板的尺寸為55 mm×10 mm×10 mm（長×寬×高）。各材料的重要參數(shù)如表1所示，其中[A]、[B]分別表示材料在JOCK狀態(tài)下屈服應(yīng)力的常數(shù)值，[D1]、[D2]表示材料在高溫環(huán)境下的材料系數(shù)常數(shù)值。

2.2 有限元參數(shù)設(shè)置

本文使用XTX-8003炸藥作為爆炸源，爆炸范圍為55 mm×10 mm×30 mm。炸藥居中爆炸，質(zhì)量為0.215 6 g，距離面板8 mm處爆炸（爆炸示意圖如圖6所示），爆炸持續(xù)時長為0.12 ms，網(wǎng)格精度為1 mm。

3 數(shù)值分析

3.1 比吸能

南京理工大學(xué)的朱易給出“面板-夾層-背板”結(jié)構(gòu)的抗爆炸性能的比吸能計算公式，其內(nèi)能值往往是由各部分進入塑性階段的內(nèi)能值決定的，故本文選取各夾層結(jié)構(gòu)的60～100 μs作為參考數(shù)據(jù)。它的各夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)能值如圖7所示。各結(jié)構(gòu)各部分吸能情況如表2所示，各結(jié)構(gòu)各部分內(nèi)能占比如表3所示。

3.2 背板變形量

背板里側(cè)通常是被保護物，所以背板的變形量是評價“面板-夾層-背板”結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)。本文采用背板的中心作為背板變形量，結(jié)果如圖8所示。

3.3 背板內(nèi)應(yīng)力

在爆炸瞬態(tài)作用下，沖擊波以應(yīng)力波的形式進行傳播。通常，背板的內(nèi)應(yīng)力峰值越小，其夾層結(jié)構(gòu)對應(yīng)力波的衰減力度越大;反之，夾層結(jié)構(gòu)衰減力度越小。因此，背板的峰值應(yīng)力是評價抗爆炸沖擊的一個重要指標(biāo)。由于爆炸沖擊波衰減速度快，故本文采用0～30 μs內(nèi)的爆炸沖擊波作為研究對象，其各結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力值如圖9所示。

3.4 背板后10 mm超壓

部分沖擊波會穿透結(jié)構(gòu)，對保護物造成毀壞，因此本文采用背板后10 mm處節(jié)點超壓值作為參考值。各結(jié)構(gòu)背板后10 mm處超壓值，如圖10所示。

3.5 分析

對于3種不同夾層結(jié)構(gòu)的“面板-夾層-背板”，在同一爆炸載荷下進行爆炸沖擊動力學(xué)研究，分別從背板中心節(jié)點的變形量、背板的內(nèi)應(yīng)力、整體比吸能以及背板10 mm后的超壓值進行對比評價，具體數(shù)值如表4所示。

從整體比吸能來看，抗爆炸沖擊性能從好到壞依次是磚-泥夾層、多層蜂窩夾層、實體夾層;從背板變形量來看，抗爆炸沖擊性能從好到壞依次是多層蜂窩夾層、磚-泥夾層、實體夾層;從背板內(nèi)應(yīng)力值來看，抗爆炸沖擊性能從好到壞依次是多層蜂窩夾層、磚-泥夾層、實體夾層;從背板后方10 mm超壓值來看，抗爆炸沖擊性能從好到壞依次是多層蜂窩夾層、磚-泥夾層、實體夾層。通過對比發(fā)現(xiàn)：單一均質(zhì)的實體結(jié)構(gòu)抗爆炸性能都是最差的;磚-泥夾層和多層蜂窩夾層因吸收的內(nèi)能多，因此其背板變形量、背板內(nèi)應(yīng)力以及10 mm后的超壓值較小。

從表3可以看出，實體夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)能占比為75%，小于磚-泥夾層結(jié)構(gòu)（85%）與多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)（85%）的夾層內(nèi)能占比，因此實體夾層結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能最差。同時，表3也間接驗證了仿貝殼珍珠母層其良好的能量耗散性能，以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)可以用于抗爆炸沖擊的防護結(jié)構(gòu)設(shè)計。

多層蜂窩結(jié)構(gòu)雖然在比吸能方面略遜于磚-泥結(jié)構(gòu)，但是其背板后10 mm的超壓值只有磚-泥結(jié)構(gòu)的約0.37倍，而超壓值一般超過0.3 MPa會對人體造成傷害。可見，多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗爆炸性能優(yōu)于磚-泥結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

基于貝殼珍珠母層的微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)計了磚-泥結(jié)構(gòu)。為了與磚-泥結(jié)構(gòu)形成對比，又通過仿蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計了多層蜂窩結(jié)構(gòu)，同時設(shè)置基體材料與填充物材料體積比為6∶4，得出了以下結(jié)論：

①無論是磚-泥夾層還是多層蜂窩夾層，抗爆炸性均優(yōu)于單一均質(zhì)實體夾層，其中磚-泥結(jié)構(gòu)的比吸能是實體的16倍，多層蜂窩的比吸能是實體的9倍。

②基體材料與填充物體積比一定時，多層蜂窩結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能優(yōu)于磚-泥夾層結(jié)構(gòu)。

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