爆炸載荷下仿貝殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)*

李志洋，雷建銀，劉志芳

（太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院應(yīng)用力學(xué)研究所，山西 太原 030024）

生物體經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，經(jīng)歷了自然選擇和優(yōu)勝劣汰，進(jìn)化出獨(dú)特的多尺度和多層級(jí)微觀結(jié)構(gòu)，并且具有優(yōu)異的綜合性能，如骨骼、貝殼、竹子、樹干等。從天然生物材料獨(dú)特的宏微觀結(jié)構(gòu)獲得靈感，對(duì)人工合成材料的設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)和啟示意義。

貝殼珍珠層是一種具有高強(qiáng)度和高韌性的天然材料，這種優(yōu)異的性能主要來(lái)源于文石片與有機(jī)基質(zhì)層自下而上堆砌而形成的多尺度、多層級(jí)的“磚泥”結(jié)構(gòu)。珍珠層文石片與有機(jī)基質(zhì)的交替排列是其高強(qiáng)度、高韌性的關(guān)鍵，其強(qiáng)韌化機(jī)制主要包括裂紋偏轉(zhuǎn)、文石片拔出和有機(jī)質(zhì)橋接，許多學(xué)者開展了對(duì)其“磚泥”結(jié)構(gòu)的研究。Yin 等制備出模仿珍珠質(zhì)“磚和砂漿”排列的夾層玻璃，在保持透光率和高強(qiáng)度基本不變的同時(shí)，其抗沖擊能力比夾膠玻璃和鋼化玻璃提高了2～3 倍。Nguyen-Van 等設(shè)計(jì)了不同類型的仿貝殼珍珠聯(lián)鎖波狀層合板，并通過(guò)數(shù)值模擬研究其在爆炸載荷下的破壞模式，發(fā)現(xiàn)纖維/乙烯酯的波狀聯(lián)鎖層合板的抗爆性能要遠(yuǎn)優(yōu)于平面復(fù)合材料板。Jia 等通過(guò)層壓的方法生產(chǎn)出類貝殼珍珠層的氧化石墨烯基塊體，研究結(jié)果表明，不同載荷下結(jié)構(gòu)的界面載荷傳遞和失效模式將發(fā)生改變，隨著壓力的增加，復(fù)合材料由漸進(jìn)破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闉?zāi)難性破壞。Tan 等研究了基于生物靈感的類珍珠層陶瓷聚合物復(fù)合材料在循環(huán)壓縮下的疲勞行為和損傷機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)的破壞體現(xiàn)出階梯狀斷裂行為，能夠有效的提高其斷裂韌性。武曉東等建立了一種仿貝殼珍珠層的鋁/乙烯基復(fù)合材料的三維Voronoi 有限元模型，并研究其在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明，與規(guī)則圖形相比，Voronoi模型有著更好的力學(xué)性能和能量吸收。

近20 年來(lái)，增材制造技術(shù)取得了快速的發(fā)展，這種技術(shù)可以快速而精密地制造出任意形狀的零件，解決許多過(guò)去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成型，同時(shí)能更好的契合多材料結(jié)構(gòu)制備需求。Liu 等受紅鮑魚聯(lián)鎖片劑的啟發(fā)，利用多材料3D 打印構(gòu)建了聯(lián)鎖和非聯(lián)鎖類珠晶復(fù)合材料試樣，并進(jìn)行拉伸和三點(diǎn)彎斷裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)鎖比非聯(lián)鎖珍珠狀復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度和韌性分別提高了55%、143% 和176%。馬驍勇等利用光固化3D 打印技術(shù)制備了仿貝殼復(fù)合材料，采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方法研究了文石片長(zhǎng)寬比與材料彈性模量間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)材料微觀排布對(duì)宏觀力學(xué)性能及破壞模式有很大的影響。劉英志等構(gòu)建了仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)有限元模型，研究了其在落錘沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究結(jié)果表明三層仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)具有最大比吸能，且沖擊速度、錘頭類型均對(duì)其力學(xué)性能有很大的影響。Gu 等通過(guò)增材制造模仿了三維海螺殼結(jié)構(gòu)，并通過(guò)落錘實(shí)驗(yàn)和有限元方法研究其抗沖擊性能，結(jié)果表明，與單層結(jié)構(gòu)和單一剛性結(jié)構(gòu)相比，添加第二層交叉層狀結(jié)構(gòu)可以分別提高70%和85%的沖擊性能。Jia 等利用3D 打印制造了仿生架構(gòu)梁，通過(guò)動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其組成成分，同時(shí)依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了多種仿生混合梁，進(jìn)一步提高了柔性、強(qiáng)度和韌性等。Ko 等通過(guò)3D 打印設(shè)計(jì)并制造了Voronoi 圖類似珍珠的層狀復(fù)合材料，并進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的吸能比單一材料結(jié)構(gòu)大11%。對(duì)于仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)，多數(shù)研究集中在靜態(tài)拉壓和動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎，而對(duì)于其在高應(yīng)變率和爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究較少。

本文基于天然貝殼珍珠層磚泥排列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)的有限元模型，利用LSDYNA 有限元軟件模擬其在爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，通過(guò)爆炸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型的有效性，重點(diǎn)研究堆疊層數(shù)、爆炸沖量對(duì)仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)的影響，并且探討其增韌機(jī)理。

1 幾何模型和材料參數(shù)

本文所構(gòu)建的仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)，與劉英志等所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)類似：首先，建立單層磚、泥的單胞模型，如圖1 所示，其中綠色為仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的“磚”結(jié)構(gòu)，其大小為1 mm 正方體，紫色為仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的“泥”結(jié)構(gòu)，其厚度為0.1 mm；隨后將其組裝在一起得到單層仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)的胞元尺寸為2.2 mm×2.2 mm×1.0 mm。對(duì)于多層仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，相鄰每層之間均為對(duì)中排布，相隔兩層結(jié)構(gòu)相同，并且層與層間均排布0.1 mm 的泥材料。以三層單胞模型為例，其胞元尺寸為2.2 mm×2.2 mm×3.2 mm。將單胞模型沿面內(nèi)兩方向陣列得到仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)的整體模型，其平面尺寸為100 mm×100 mm，如圖2 所示。本文研究1～5 層的仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的力學(xué)響應(yīng)，探索層數(shù)對(duì)仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)的單層和多層胞元建模Fig. 1 Single-layer and multi-layer cell construction process of nacre-like brick and mortar structure

圖2 仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)整體建模Fig. 2 Overall model building processes of nacre-like bricks and mortar structures

天然貝殼珍珠層是一種多材料結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是由體積分?jǐn)?shù)較大的無(wú)機(jī)相碳酸鈣（磚材料）及體積分?jǐn)?shù)較小的有機(jī)基質(zhì)（泥材料）組成，其中無(wú)機(jī)相碳酸鈣是一種強(qiáng)度高但非常脆的材料，而有機(jī)質(zhì)是一種可塑性好的材料。VeroWhite Plus彈性模量較大，而且具有較大的承載能力用以替代生物材料的無(wú)機(jī)相，以彈性模量較小且可變形性能力好的Tango Plus 材料替代有機(jī)基質(zhì)。

2 實(shí)驗(yàn)及有限元驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)及裝置

使用3D 打印機(jī)打印了堆疊層數(shù)為5 的仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)（如圖3 和圖4 所示），尺寸為100 mm×100 mm×5.4 mm。本文研究了其在爆炸載荷下的力學(xué)響應(yīng)，爆炸實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示，炸藥為球形硝酸銨炸藥，炸藥中心距離試件中心150 mm，試樣被兩塊蓋板夾持在中間，夾持的寬度為20 mm，上下蓋板內(nèi)測(cè)均有1 mm 的凹槽，這使得試件可以更好地被固定，而后通過(guò)8 個(gè)螺栓將上下蓋板及試件緊固在固定支架上，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試件的受載面積為60 mm×60 mm。

圖3 五層仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣品Fig. 3 Front view of the five-layer nacre-like brick and mortar structure experimental piece

圖4 爆炸實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 4 Explosion experimental device

2.2 有限元模型

采用有限元軟件LS-DYNA 建立仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，為了節(jié)約模擬計(jì)算時(shí)間，采用1/4 模型進(jìn)行計(jì)算。仿貝殼結(jié)構(gòu)有限元模型尺寸為40 mm×40 mm×5.4 mm，夾持板的寬度為10 mm，厚度為4 mm，模型的有效作用載荷尺寸與實(shí)驗(yàn)中一致，為30 mm×30 mm。圖5 為有限元模型，其中硬質(zhì)和軟質(zhì)材料采用C3D8 實(shí)體單元，網(wǎng)格大小為0.25 mm，值得注意的是，層間軟材料厚度為0.1 mm，在保持其面外厚度為0.1 mm 的同時(shí)，將其面內(nèi)尺寸設(shè)置為0.25 mm；對(duì)于上下夾持板也采用C3D8 實(shí)體單元，網(wǎng)格大小為2 mm。分別采用MAT 89 (PLASTICITY-POLYMER) 和MAT 269 (BERGSTROM-BOYCERUBBER)來(lái)模擬生物材料中硬、軟質(zhì)材料，并且分別采用失效應(yīng)力、失效應(yīng)變來(lái)控制其失效；選用MAT 20 (RIGID)來(lái)模擬夾持夾板。有限元模擬中，采用LOAD-BLAST-ENHANCED 施加爆炸載荷，有限元中TNT 的藥量為實(shí)驗(yàn)中硝酸銨乳化炸藥藥量乘以0.693。對(duì)上下夾持板與軟硬材料整體間采用AUTOMATIC-SURFACE-TO-SURFACE 接觸，其中靜摩擦因數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1。軟硬材料之間采用TIEBREAK-SURFACE-TO-SURFACE 接觸，其失效參數(shù)為45 MPa。軟硬材料整體設(shè)置了AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE 和ERODING-SINGLE-SURFACE 接觸來(lái)保證計(jì)算的收斂性。

圖5 有限元模型Fig. 5 Diagram of FE model

2.3 模型驗(yàn)證

圖6 為TNT 炸藥藥量為14 g 下（實(shí)驗(yàn)中硝酸銨乳化炸藥藥量為20 g）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果圖。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)在中心處斷裂，發(fā)生了災(zāi)難性破壞，使得中心處發(fā)生掉落；而且試件夾持端四周均存在剪切破壞。在有限元數(shù)值模擬中，在試件中心處發(fā)生災(zāi)難性的掉落破壞，在夾持端發(fā)生明顯的剪切破壞。在實(shí)驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)中心處掉落尺寸約為45.5 mm×33.7 mm，剪切端破壞長(zhǎng)度為42.1 mm；在1/4 有限元模擬中，結(jié)構(gòu)中心處掉落尺寸為18.5 mm×13.5 mm，且夾持板夾持處存在剪切裂紋，長(zhǎng)度為21.4 mm，從而說(shuō)明有限元結(jié)果的有效性。

圖6 試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果圖Fig. 6 Test and numerical simulation results

圖7 給出了五層仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)模型在TNT 炸藥藥量為14 g 情況下的能量曲線，偽應(yīng)變能（Hourglass Energy）只占總能量的3.6%，而外力做功大于系統(tǒng)的內(nèi)能與系統(tǒng)動(dòng)能之和，這是由于在有限元模擬過(guò)程中材料加入破壞準(zhǔn)則使得網(wǎng)格刪除而導(dǎo)致能量的損耗。

圖7 沖擊波作用能量時(shí)程Fig. 7 History of shock wave energy

3 結(jié)果與討論

3.1 破壞模式

為了研究仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)在不同藥量下破壞模式，分別對(duì)五層仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)在TNT 炸藥藥量為3.5、7、8.75、10.5、14 g，沖量分別為0.019、0.030、0.035、0.039、0.047 N·s 時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同藥量下仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)的破壞模式可以分為如下5 種，分別為：

Ⅰ，結(jié)構(gòu)整體無(wú)損傷，僅發(fā)生塑性形變，如圖8 所示；

圖8 失效模式Ⅰ，非彈性形變Fig. 8 Failure mode Ⅰ, inelastic deformation

Ⅱ，結(jié)構(gòu)前表面無(wú)明顯破壞，后表面發(fā)生破壞，如圖9 所示；

圖9 失效模式Ⅱ，局部損傷Fig. 9 Failure mode Ⅱ, partial damage

Ⅲ，結(jié)構(gòu)發(fā)生掉落型貫穿破壞，夾持端無(wú)剪切破壞，如圖10 所示；

圖10 失效模式Ⅲ，貫穿損傷Fig. 10 Failure mode Ⅲ, through-wall damage

Ⅳ，結(jié)構(gòu)發(fā)生小塊掉落型貫穿破壞，夾持端發(fā)生剪切破壞，如圖11 所示；

圖11 失效模式Ⅳ，貫穿及剪切損傷Fig. 11 Failure mode Ⅳ, through-wall and shear damage

Ⅴ，結(jié)構(gòu)發(fā)生大塊掉落型貫穿破壞，夾持端發(fā)生剪切破壞，如圖12 所示。

圖12 失效模式Ⅴ，破環(huán)式損傷Fig. 12 Failure mode Ⅴ, devastating damage

研究發(fā)現(xiàn)，隨著爆炸沖量的增加，結(jié)構(gòu)破壞模式也隨之改變。當(dāng)沖量小于0.019 N·s，結(jié)構(gòu)無(wú)破壞，僅發(fā)生一定的形變，隨著炸藥藥量不斷地增加，結(jié)構(gòu)開始發(fā)生破壞，當(dāng)沖量大于0.030 N·s，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的損傷，其承載能力會(huì)降低。當(dāng)沖量大于0.047 N·s，結(jié)構(gòu)發(fā)生毀壞性損傷，造成其承載力的消失。

圖13 和圖14 分別顯示了沖量為0.030 N·s以及0.047 N·s 時(shí)五層磚混結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。如圖13 所示，在=70 μs 時(shí)，爆炸沖擊波傳遞至面板中心，為典型的球形波。=90 μs 時(shí)，應(yīng)力波傳遞至夾持板固定處，由于試件的厚度相比于試件的長(zhǎng)度不能忽略，因此試件后面板應(yīng)力波到達(dá)夾持處時(shí)間要遲于前面板。當(dāng)=260 μs 時(shí)，后面板中心處硬材料應(yīng)力值達(dá)到破壞閾值，結(jié)構(gòu)在后面板中心處發(fā)生拉伸破壞，而結(jié)構(gòu)在夾持端并未達(dá)到破壞極限。隨著沖量繼續(xù)增加，當(dāng)沖量達(dá)到0.047 N·s 時(shí)，如圖14 所示，=60 μs 時(shí)，爆炸沖擊波傳遞至面板中心，=70 μs 時(shí)，應(yīng)力波傳遞至夾持板固定處，=300 μs 時(shí)，試件中心以及夾持端處硬材料應(yīng)力值達(dá)到破壞閾值，因此在試件的中心處發(fā)生破壞，夾持端發(fā)生剪切破壞。

圖13 五層結(jié)構(gòu)在沖量0.030 N·s 下的有效應(yīng)力分布Fig. 13 Distribution of effective stress of five-layer structure under impulse of 0.030 N·s

圖14 五層結(jié)構(gòu)在沖量0.047 N·s 下的有效應(yīng)力分布Fig. 14 Distribution of effective stress of five-layer structure under impulse of 0.047 N·s

3.2 層數(shù)影響

為研究層數(shù)對(duì)仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)的影響，分別對(duì)1～5 層的仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)在沖量0.019 N·s 下進(jìn)行了有限元模擬。從圖15 中可以發(fā)現(xiàn)，層數(shù)對(duì)破壞模式的影響很大，單層試件破壞模式為Ⅴ型：結(jié)構(gòu)發(fā)生大塊掉落型貫穿破壞，夾持端發(fā)生剪切破壞；雙層試件破壞模式為Ⅳ型：結(jié)構(gòu)發(fā)生小塊掉落型貫穿破壞，夾持端發(fā)生剪切破壞；三層試件的破壞模式為Ⅲ型：結(jié)構(gòu)發(fā)生掉落型貫穿破壞，夾持端無(wú)剪切破壞，四層試件的破壞模式為Ⅱ型：結(jié)構(gòu)前表面無(wú)明顯破壞，后表面發(fā)生破壞；五層試件的破壞模式為Ⅰ型：結(jié)構(gòu)整體無(wú)損傷，僅發(fā)生塑性形變?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同的沖量下，隨著堆疊層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的破壞模式由開始的災(zāi)難性破壞到只發(fā)生一定變形，結(jié)構(gòu)的抗爆性能隨著層數(shù)的增加有顯著的提升；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定炸藥藥量下，隨著堆疊層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的后面板撓度逐漸減小。

圖15 不同堆疊層數(shù)的破壞模式圖Fig. 15 Failure modes at different stacking layers

為了比較不同層數(shù)的仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)在不同藥量下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，分別對(duì)不同層數(shù)的仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)在沖量為0.019、0.030、0.035、0.039 和0.047 N·s 下進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析其破壞模式。其結(jié)果如表1 所示，

表1 不同層級(jí)結(jié)構(gòu)在不同藥量下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Table 1 Dynamic response of structure with different layers to different explosive charges

根據(jù)不同層數(shù)的仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)在不同炸藥藥量下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)結(jié)構(gòu)的破壞模式到達(dá)Ⅴ型時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)不能承載。在同一沖量下，隨著層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的破壞模式發(fā)生改變， 例如：在沖量為0.019 N·s 時(shí)，1～5 層結(jié)構(gòu)的破壞模式分別呈現(xiàn)Ⅴ型、Ⅳ型、Ⅲ型、Ⅱ型、Ⅰ型。在同一層數(shù)下，隨著沖量的增加，結(jié)構(gòu)的破壞模式增加，例如：當(dāng)結(jié)構(gòu)為5 層時(shí)，隨著沖量由0.019 N·s 增加到0.047 N·s 時(shí)，結(jié)構(gòu)的破壞模式從開始的Ⅰ型破壞，逐步演變?yōu)棰跣推茐?。而且?dāng)層數(shù)增加時(shí)，結(jié)構(gòu)的損傷閾值增加，例如：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)在沖量達(dá)到0.019 N·s 時(shí)不能承載，三層結(jié)構(gòu)在沖量達(dá)到0.035 N·s 時(shí)不能承載，五層結(jié)構(gòu)在沖量達(dá)到0.047 N·s 時(shí)不能承載。值得注意的是，隨著藥量或沖量的增加，其破壞模式均是夾持端發(fā)生更嚴(yán)重的剪切破壞，結(jié)構(gòu)中心發(fā)生大塊掉落型貫穿破壞，不會(huì)出現(xiàn)其他的破壞模式。

3.3 增韌機(jī)制

貝殼是組織高度分級(jí)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)有利于引導(dǎo)裂紋沿結(jié)構(gòu)單元界面在三維方向上擴(kuò)展來(lái)消散裂紋能量，在保持硬度和強(qiáng)度的同時(shí)，具有非常好的韌性。

(1) 裂紋偏轉(zhuǎn)

裂紋偏轉(zhuǎn)是貝殼珍珠層中最常見的一種裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，裂紋首先沿著無(wú)機(jī)相組織間的有機(jī)層擴(kuò)展一段距離，然后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，或者轉(zhuǎn)移到相鄰其他有機(jī)層中擴(kuò)展，或者穿過(guò)無(wú)機(jī)相，再轉(zhuǎn)移到另一有機(jī)層中擴(kuò)展。這種裂紋的頻繁偏轉(zhuǎn)必然造成擴(kuò)展途徑的延長(zhǎng)，從而吸收更多的能量，并且當(dāng)裂紋從一個(gè)利于裂紋發(fā)展的方向轉(zhuǎn)向另一個(gè)不利于裂紋發(fā)展的方向擴(kuò)展時(shí)，將導(dǎo)致擴(kuò)展阻力的明顯增加。

如圖16 所示，五層結(jié)構(gòu)在沖量0.039 N·s 下的破壞模式圖，裂紋偏轉(zhuǎn)主要發(fā)生在軟硬材料的結(jié)合面，在面內(nèi)方向和面外方向，裂紋先是硬材料的界面擴(kuò)展，在到達(dá)硬材料胞元的端面時(shí)，裂紋突然發(fā)生90°轉(zhuǎn)向，沿著硬材料胞元另一個(gè)垂直方向上的界面繼續(xù)擴(kuò)展，在遇到鄰近的硬材料胞元時(shí)，裂紋繼續(xù)轉(zhuǎn)向，在結(jié)構(gòu)表面形成鋸齒形的擴(kuò)展路徑。

圖16 5 層結(jié)構(gòu)在沖量0.039 N·s 下的裂紋偏轉(zhuǎn)Fig. 16 Crack deflection of five-layer structure under impulse of 0.039 N·s

(2) 微裂紋

微裂紋的增韌機(jī)理為通過(guò)微裂紋的形成來(lái)分散主裂紋尖端能量從而了提高材料韌性。即微裂紋在擴(kuò)展和形成新的微裂紋過(guò)程中消耗部分能量，而達(dá)到宏觀增韌效果。對(duì)于仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)微裂紋主要集中在后面板。如圖17 所示，五層結(jié)構(gòu)在沖量0.047 N·s 下的結(jié)構(gòu)損傷，由于珍珠質(zhì)獨(dú)特的“磚和砂漿”結(jié)構(gòu)，軟硬材料結(jié)合的界面比較薄弱，在外力的作用下，這些界面會(huì)開裂，形成主裂紋而產(chǎn)生破壞，而在主裂紋周圍萌生了許多微裂紋，這些微裂紋耗散了更多的能量，使得仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)擁有了很好的韌性。

圖17 五層結(jié)構(gòu)在沖量0.047 N·s 下的微裂紋Fig. 17 Microcracks of five-layer structure under impulse of 0.047 N·s

4 結(jié) 論

受貝殼生物材料優(yōu)異力學(xué)性能的啟發(fā)，構(gòu)建了仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)的有限元模型，利用LS-DYNA 有限元軟件模擬了其在爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，而后將有限元數(shù)值模擬結(jié)果與爆炸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同沖量和不同層數(shù)下的爆炸數(shù)值模擬，主要結(jié)論如下。

(1) 對(duì)于五層仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)在不同藥量下的數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試件的破壞主要由試件中心掉落和四周夾持端試件剪切破壞組成。結(jié)構(gòu)的破壞模式可以分為5 種情況：Ⅰ，結(jié)構(gòu)整體無(wú)損傷；Ⅱ，結(jié)構(gòu)前表面無(wú)明顯破壞，后表面發(fā)生破壞；Ⅲ，結(jié)構(gòu)發(fā)生掉落型貫穿破壞，夾持端無(wú)剪切破壞；Ⅳ，結(jié)構(gòu)發(fā)生小塊掉落型貫穿破壞，夾持端發(fā)生剪切破壞；Ⅴ，結(jié)構(gòu)發(fā)生大塊掉落型貫穿破壞，夾持端發(fā)生剪切破壞。

(2) 詳細(xì)的分析了層數(shù)對(duì)的仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下力學(xué)響應(yīng)的影響。隨著層數(shù)的增加，在同一沖量為0.019 N·s 時(shí)，試件的破壞模式由單層的V 型大塊掉落型貫穿破壞，逐漸降低為五層的Ⅰ型僅發(fā)生一定塑性變形。五層磚泥結(jié)構(gòu)的破壞閾值為0.047 N·s, 當(dāng)沖量超過(guò)0.047 N·s 時(shí)，試件發(fā)生災(zāi)難性破壞。

(3) 研究發(fā)現(xiàn)材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)仿生材料的宏觀力學(xué)性能有很大的影響，仿貝殼磚泥結(jié)構(gòu)的增韌機(jī)制主要有裂紋偏轉(zhuǎn)和微裂紋。但是由于本文的局限性，缺乏對(duì)這兩種增韌機(jī)理的定量描述，這也是下一步研究的重點(diǎn)。