仿貝殼珍珠母層仿生結構設計與抗沖擊性分析

祝子浩 史金飛 楊柳 薛宇昊

摘 要：研究貝殼珍珠母層的結構發現，它具有極佳的抗沖擊性能。因此，通過仿貝殼珍珠母層的結構，設計出磚-泥夾層結構，以期達到良好的抗爆炸沖擊性。同時，為了驗證結構多層蜂窩夾層結構與磚-泥夾層結構的抗爆炸沖擊性能，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數值分析手段得出：磚-泥夾層結構的比吸能是實體的16倍，多層蜂窩夾層結構的比吸能是實體的9倍;抗爆炸沖擊性能方面，多層蜂窩夾層結構最優，磚-泥夾層結構次之，實體夾層結構最差。

關鍵詞：仿生結構;貝殼珍珠母層;抗爆炸沖擊

中圖分類號：TB391 文獻標識碼：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異的抗沖擊力學性能[1-6]。當貝殼受到外界的沖擊時，內部結構將發生裂紋偏轉，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構設計，將有助于提高抗爆炸沖擊性。南京理工大學的聞章魯通過研究背角無齒蚌的微觀結構（如圖1所示），抽化出貝殼珍珠母層的微觀結構（如圖2所示）[7]。

蜂窩結構具有良好的力學性能，受到了廣泛關注。WANG等通過有限元與實驗相結合的方式，研究了分層梯度泡沫與蜂窩夾層結構的抗爆炸沖擊性能，但未與磚-泥夾層結構抗爆炸沖擊性進行對比[8]。南京理工大學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準進行研究，但未將背板內應力作為抗爆炸性能的評判標準[9-10]。

本文利用仿貝殼珍珠母層的結構設計出磚-泥夾層結構，利用仿蜂窩設計出多層蜂窩夾層結構，并通過數值分析的方法，研究磚-泥夾層結構、多層蜂窩夾層結構以及實體夾層結構的抗爆炸沖擊性能。

1 仿生結構設計

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構，設計了磚-泥夾層結構。同時，為了驗證磚-泥夾層結構，引入多層蜂窩夾層結構和實體夾層結構作進一步對比。

1.1 磚-泥夾層結構

磚-泥夾層結構如圖3所示，單胞結構尺寸為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 多層蜂窩夾層結構

多層蜂窩夾層結構如圖4所示，尺寸為55 mm×10 mm×10 mm（長×寬×高）。單胞結構邊長為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 實體夾層結構

實體夾層結構如圖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 有限元數值模擬和參數設置

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構，尤其是夾層，吸收了大部分內能。一般夾層吸收得越多，背板的變形量、內應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-泥作為整個結構的夾層結構，并研究三者的抗爆炸沖擊性能的優異性。

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。因為環氧樹脂抗沖擊性能較好，所以本文選取環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）。各材料的重要參數如表1所示，其中[A]、[B]分別表示材料在JOCK狀態下屈服應力的常數值，[D1]、[D2]表示材料在高溫環境下的材料系數常數值。

2.2 有限元參數設置

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），爆炸持續時長為0.12 ms，網格精度為1 mm。

3 數值分析

3.1 比吸能

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

3.2 背板變形量

背板里側通常是被保護物，所以背板的變形量是評價“面板-夾層-背板”結構的評價指標。本文采用背板的中心作為背板變形量，結果如圖8所示。

3.3 背板內應力

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

3.4 背板后10 mm超壓

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

3.5 分析

對于3種不同夾層結構的“面板-夾層-背板”，在同一爆炸載荷下進行爆炸沖擊動力學研究，分別從背板中心節點的變形量、背板的內應力、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;從背板內應力值來看，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。通過對比發現：單一均質的實體結構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能多，因此其背板變形量、背板內應力以及10 mm后的超壓值較小。

從表3可以看出，實體夾層結構內能占比為75%，小于磚-泥夾層結構（85%）與多層蜂窩夾層結構（85%）的夾層內能占比，因此實體夾層結構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，以及蜂窩夾層結構可以用于抗爆炸沖擊的防護結構設計。

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

4 結論

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

①無論是磚-泥夾層還是多層蜂窩夾層，抗爆炸性均優于單一均質實體夾層，其中磚-泥結構的比吸能是實體的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，多層蜂窩結構的抗爆炸沖擊性能優于磚-泥夾層結構。

參考文獻：

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