仿贝壳珍珠母层仿生结构设计与抗冲击性分析

祝子浩 史金飞 杨柳 薛宇昊

摘 要：研究贝壳珍珠母层的结构发现，它具有极佳的抗冲击性能。因此，通过仿贝壳珍珠母层的结构，设计出砖-泥夹层结构，以期达到良好的抗爆炸冲击性。同时，为了验证结构多层蜂窝夹层结构与砖-泥夹层结构的抗爆炸冲击性能，通过控制框架与填充物的体积比为6∶4，分别以实体、砖-泥、多层蜂窝作为“面板-夹层-背板”的夹层。通过AUTODYN数值分析手段得出：砖-泥夹层结构的比吸能是实体的16倍，多层蜂窝夹层结构的比吸能是实体的9倍;抗爆炸冲击性能方面，多层蜂窝夹层结构最优，砖-泥夹层结构次之，实体夹层结构最差。

关键词：仿生结构;贝壳珍珠母层;抗爆炸冲击

中图分类号：TB391 文献标识码：A 文章编号：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

自然界中有许多诸如贝壳的天然生物材料具有优异的抗冲击力学性能[1-6]。当贝壳受到外界的冲击时，内部结构将发生裂纹偏转，从而吸收更多的断裂功，耗散更多的能量。因此，模仿贝壳珍珠母层的结构设计，将有助于提高抗爆炸冲击性。南京理工大学的闻章鲁通过研究背角无齿蚌的微观结构（如图1所示），抽化出贝壳珍珠母层的微观结构（如图2所示）[7]。

蜂窝结构具有良好的力学性能，受到了广泛关注。WANG等通过有限元与实验相结合的方式，研究了分层梯度泡沫与蜂窝夹层结构的抗爆炸冲击性能，但未与砖-泥夹层结构抗爆炸冲击性进行对比[8]。南京理工大学的朱易将背板的变形量、比吸能以及背板后方超压作为抗爆炸冲击性能的评判标准进行研究，但未将背板内应力作为抗爆炸性能的评判标准[9-10]。

本文利用仿贝壳珍珠母层的结构设计出砖-泥夹层结构，利用仿蜂窝设计出多层蜂窝夹层结构，并通过数值分析的方法，研究砖-泥夹层结构、多层蜂窝夹层结构以及实体夹层结构的抗爆炸冲击性能。

1 仿生结构设计

基于仿贝壳珍珠母层的抗冲击性能，通过观察贝壳珍珠母层的结构，设计了砖-泥夹层结构。同时，为了验证砖-泥夹层结构，引入多层蜂窝夹层结构和实体夹层结构作进一步对比。

1.1 砖-泥夹层结构

砖-泥夹层结构如图3所示，单胞结构尺寸为9 mm×5 mm×2 mm（长×宽×高），整体尺寸为55 mm×10 mm×10 mm（长×宽×高）。采用陶瓷作为框架材料（如图3所示的黑色部分），采用环氧树脂作为填充材料（如图3所示的白色部分），框架与填充材料的体积占比为6∶4。

1.2 多层蜂窝夹层结构

多层蜂窝夹层结构如图4所示，尺寸为55 mm×10 mm×10 mm（长×宽×高）。单胞结构边长为1 mm，壁厚为0.8 mm，相对密度为0.9。采用陶瓷作为框架材料（如图4所示的黑色部分），采用环氧树脂作为填充材料（如图4所示的白色部分），框架与填充材料的体积占比为6∶4。

1.3 实体夹层结构

实体夹層结构如图5所示，尺寸为55 mm×10 mm×10 mm（长×宽×高）。采用陶瓷作为框架基体材料，不需要填充。

2 有限元数值模拟和参数设置

2.1 仿真模型建立

珍珠母层的能量耗散性好，而目前的“面板-夹层-背板”是常见的抗爆炸冲击防护结构，尤其是夹层，吸收了大部分内能。一般夹层吸收得越多，背板的变形量、内应力值背板后的超压值越小，抗爆炸冲击性能越好。因此，本文将实体、多层蜂窝以及砖-泥作为整个结构的夹层结构，并研究三者的抗爆炸冲击性能的优异性。

对于面板和背板的材料，本文选取STEEL 4340钢。对于夹层，采用陶瓷作为基体材料。因为环氧树脂抗冲击性能较好，所以本文选取环氧树脂作为填充材料。其中，面板和背板的尺寸为55 mm×10 mm×10 mm（长×宽×高）。各材料的重要参数如表1所示，其中[A]、[B]分别表示材料在JOCK状态下屈服应力的常数值，[D1]、[D2]表示材料在高温环境下的材料系数常数值。

2.2 有限元参数设置

本文使用XTX-8003炸药作为爆炸源，爆炸范围为55 mm×10 mm×30 mm。炸药居中爆炸，质量为0.215 6 g，距离面板8 mm处爆炸（爆炸示意图如图6所示），爆炸持续时长为0.12 ms，网格精度为1 mm。

3 数值分析

3.1 比吸能

南京理工大学的朱易给出“面板-夹层-背板”结构的抗爆炸性能的比吸能计算公式，其内能值往往是由各部分进入塑性阶段的内能值决定的，故本文选取各夹层结构的60～100 μs作为参考数据。它的各夹层结构的内能值如图7所示。各结构各部分吸能情况如表2所示，各结构各部分内能占比如表3所示。

3.2 背板变形量

背板里侧通常是被保护物，所以背板的变形量是评价“面板-夹层-背板”结构的评价指标。本文采用背板的中心作为背板变形量，结果如图8所示。

3.3 背板内应力

在爆炸瞬态作用下，冲击波以应力波的形式进行传播。通常，背板的内应力峰值越小，其夹层结构对应力波的衰减力度越大;反之，夹层结构衰减力度越小。因此，背板的峰值应力是评价抗爆炸冲击的一个重要指标。由于爆炸冲击波衰减速度快，故本文采用0～30 μs内的爆炸冲击波作为研究对象，其各结构内应力值如图9所示。

3.4 背板后10 mm超压

部分冲击波会穿透结构，对保护物造成毁坏，因此本文采用背板后10 mm处节点超压值作为参考值。各结构背板后10 mm处超压值，如图10所示。

3.5 分析

对于3种不同夹层结构的“面板-夹层-背板”，在同一爆炸载荷下进行爆炸冲击动力学研究，分别从背板中心节点的变形量、背板的内应力、整体比吸能以及背板10 mm后的超压值进行对比评价，具体数值如表4所示。

从整体比吸能来看，抗爆炸冲击性能从好到坏依次是砖-泥夹层、多层蜂窝夹层、实体夹层;从背板变形量来看，抗爆炸冲击性能从好到坏依次是多层蜂窝夹层、砖-泥夹层、实体夹层;从背板内应力值来看，抗爆炸冲击性能从好到坏依次是多层蜂窝夹层、砖-泥夹层、实体夹层;从背板后方10 mm超压值来看，抗爆炸冲击性能从好到坏依次是多层蜂窝夹层、砖-泥夹层、实体夹层。通过对比发现：单一均质的实体结构抗爆炸性能都是最差的;砖-泥夹层和多层蜂窝夹层因吸收的内能多，因此其背板变形量、背板内应力以及10 mm后的超压值较小。

从表3可以看出，实体夹层结构内能占比为75%，小于砖-泥夹层结构（85%）与多层蜂窝夹层结构（85%）的夹层内能占比，因此实体夹层结构的抗爆炸冲击性能最差。同时，表3也间接验证了仿贝壳珍珠母层其良好的能量耗散性能，以及蜂窝夹层结构可以用于抗爆炸冲击的防护结构设计。

多层蜂窝结构虽然在比吸能方面略逊于砖-泥结构，但是其背板后10 mm的超压值只有砖-泥结构的约0.37倍，而超压值一般超过0.3 MPa会对人体造成伤害。可见，多层蜂窝夹层结构的抗爆炸性能优于砖-泥结构。

4 结论

基于贝壳珍珠母层的微观结构，设计了砖-泥结构。为了与砖-泥结构形成对比，又通过仿蜂窝结构设计了多层蜂窝结构，同时设置基体材料与填充物材料体积比为6∶4，得出了以下结论：

①无论是砖-泥夹层还是多层蜂窝夹层，抗爆炸性均优于单一均质实体夹层，其中砖-泥结构的比吸能是实体的16倍，多层蜂窝的比吸能是实体的9倍。

②基体材料与填充物体积比一定时，多层蜂窝结构的抗爆炸冲击性能优于砖-泥夹层结构。

参考文献：

[1]曾凡，张志明，范根莲，等.仿贝壳层状复合装甲材料研究进展[J].中国材料进展，2021（3）：225-233.

[2]徐妙妙.氧化石墨烯基仿贝壳珍珠母层状材料的制备及性能研究[D].西安：陕西科技大学，2018：11-15.

[3]赵赫威，郭林.仿贝壳珍珠母层状复合材料的制备及应用[J].科学通报，2017（6）：576-589.

[4]曾凡，张志明，范根莲，等.仿贝壳层状复合装甲材料研究进展[J].中国材料进展，2021（3）：225-233.

[5]任佳，刘小川，杨建波，等.装甲车座椅抗地雷爆炸冲击模拟试验方法研究[J].应用力学学报，2020（6）：2535-2543.

[6]李响，李锐，徐兴兴，等.新型变截面波纹夹层结构抗爆炸冲击性能[J].机械，2020（10）：6-15.

[7]闻章鲁.基于贝壳珍珠层特征的金属仿生设计和电弧增材制造研究[D].南京：南京理工大学，2017：32-34.

[8]SUN G，WANG H.Low-verlocity impact behavior of sandwich pancls with homogeneous and steowise graded foam cores[J].Materials& Design，2018，160：1117-1136.

[9]朱易.橡膠填充蜂窝夹层复合结构抗爆性能研究[D].南京：南京理工大学，2014：19-48.

[10]田杰，胡时胜，陈健.次生冲击波超压的实验研究和数值模拟[J].兵工学报，2007（12）：1483-1488.