冰雹载荷下基于碳纤维增强复合材料的腔棘鱼鳞双螺旋仿生结构的撞击损伤分析

为了提高纤维复合材料构件抗冰雹载荷性能,基于腔棘鱼鳞独特的双螺旋结构,建立了以碳纤维增强复合材料为基体的腔棘鱼鳞双螺旋仿生结构数值模型,并验证了该仿生结构模型的有效性。对比分析了双螺旋仿生结构和正交层合结构的毁伤特性,进而探究了冰雹撞击能量及分布密度对该双螺旋仿生结构动态响应的影响。结果表明,双螺旋仿生结构在冰雹作用下的毁伤程度低于相同密度条件下的正交层合结构。当撞击能量达到1149.3 J时,正交层合结构出现了明显的基体破碎及纤维断裂,而双螺旋仿生结构仅表现为撞击区域的浅表分层并伴随少量纤维断裂。双螺旋仿生结构在冰雹撞击下的力学响应可分为3个阶段。随着撞击能量的增加,撞击区域首先发生基体拉伸,撞击点临近区域发生分层及面外凸起;进而分层区域向四周扩展,在冰雹的持续加载下撞击位置的位移达最大值;此后,仿生结构出现回弹直至稳定。该双螺旋仿生结构的能量吸收比率及接触力均随撞击能量的增加而线性增大。在相同质量冰雹的作用下,随着冰雹分布密度的增加,双螺旋仿生结构的上表面损伤程度减小,下表面损伤区域增大。研究结果为基于碳纤维增强复合材料的腔棘鱼鳞仿生结构在冰雹载荷下的轻量化设计奠定了基础。