仿羊角管状复合材料结构抗冲击性能

羊角因其独特的管状微观结构显示出优异的抗冲击性能。本文从羊角微观结构汲取灵感,设计了仿羊角管状结构。基于3D打印熔融沉积技术,采用短切碳纤维增强尼龙复合材料制备了仿羊角管状结构(HTS)。冲击实验结果表明HTS试样的冲击载荷-位移曲线中存在较长的高载荷平台区,在此阶段吸收了大量的冲击能量,较非仿生样品吸能提升了143.9%,比吸能值提升了178.8%。提出了HTS冲击有限元模型,仿真预测结果和实验获得的冲击响应及裂纹扩展路径结果吻合较好,验证了该模型的有效性。采用该模型分析发现:在冲击过程中细管周围产生较大的应力集中,使裂纹发生偏转进而捕获裂纹,并在细管其他位置重新萌生新的裂纹并朝下一个细管扩展,这个过程不断重复,从而吸收了大量的冲击能量。最后,基于该有限元模型探索了几何参数和材料性能对HTS冲击吸能的影响规律。该研究探索了仿羊角管状复合材料结构冲击吸能特性和吸能机制,对新型抗冲击装备的设计和制备具有重要意义。