3D打印仿貝殼珍珠層復合材料在靜力學和動力學狀況下的力學性能研究

3D打印仿貝殼珍珠層復合材料在靜力學和動力學狀況下的力學性能研究貝殼珍珠層是一種特殊的生物結構,它廣泛存在于自然界中各種帶有貝殼的生物中,如海螺、鮑魚等。它經(jīng)過幾百萬年的進化,通過巧妙的組合形成了一種特殊的類似于建筑中的“磚-泥”結構。它主要由兩部分組成,硬質(zhì)但是比較脆弱的CaCO₃作為主要組成部分,軟質(zhì)但是延性比較好的有機物作為基質(zhì)部分。盡管這種結構的CaCO₃占有絕大部分,但是相比較純的CaCO₃,它卻有更加優(yōu)異的力學特性。它在強度和模量犧牲都不大的情況下,擁有了更加優(yōu)異的延性和能量耗散能力。因此它的這種特殊性質(zhì)也得到了越來越多的關注和研究。隨著復合材料研究的不斷發(fā)展和仿生領域的不斷深入,貝殼珍珠層也得到了比較多的關注,而且必將在未來得到更多且更深入的研究和發(fā)展。然而目前關于仿貝殼珍珠層復合材料的相關研究還比較欠缺,因此研究貝殼珍珠層復合材料的力學特性不僅僅有著良好的科學意義,也有著良好的現(xiàn)實價值。本論文的主要研究工作為仿貝殼珍珠層復合材料的力學性能研究,主要研究仿貝殼珍珠層復合材料在準靜態(tài)壓縮工程狀況和在子彈侵徹環(huán)境下的力學性能發(fā)展規(guī)律,論文主要分為兩個部分:第一部分通過3D打印成型的方式,制備仿貝殼珍珠層復合材料的試樣。3D打印成型技術具有高效、快捷、節(jié)省材料、精度比較高的特點,因此得到了越來越多的應用,特別是在復合材料的研究領域。本文所采用的3D打印試樣由剛性不透明塑料VeroBlue作為主要組成部分,以軟質(zhì)類橡膠TangoBlack作為基質(zhì)部分。然后通過變換不同的細部幾何尺寸,制備出仿貝殼珍珠層復合材料的試樣。實驗采用準靜態(tài)壓縮加載的方式,來探究仿貝殼珍珠層復合材料準靜態(tài)工程狀況下壓縮力學性能受細部幾何尺寸的影響。而且本研究通過結合ABAQUS有限元分析軟件的數(shù)值模擬結果,對部分實驗進行相關驗證對照,相關的驗證對照顯示結果比較吻合。通過準靜態(tài)壓縮的實驗和模擬結果,我們可以發(fā)現(xiàn),仿貝殼珍珠層復合材料的一些力學性能特征,如應力應變曲線、壓縮模量、壓縮強度、破壞吸收能量等受到材料細部幾何尺寸影響比較大,如硬質(zhì)磚塊的長寬比、硬質(zhì)磚塊的寬度、軟質(zhì)膠層的厚度。結論顯示比較小的軟質(zhì)膠層厚度和比較大的硬質(zhì)磚塊長寬比對力學性能的影響比較明顯。第二部分主要通過ABAQUS有限元分析的手段,建立不同細部幾何尺寸,且從單層到多層的3D打印仿貝殼珍珠層復合材料的動態(tài)分析數(shù)值模型。由于所采用的材料參數(shù)來自參考文獻所指出的剛性塑料Veromagenta和軟質(zhì)類橡膠Tangoblackplus,和靜態(tài)實驗中所采用的試樣材料十分相似,因此動態(tài)分析和靜態(tài)實驗的材料性能也十分相近。我們通過建立3D打印仿貝殼珍珠層復合材料和沖擊物體加沖頭的模型,探究侵徹環(huán)境下仿貝殼珍珠層復合材料的動態(tài)力學性能發(fā)展規(guī)律。我們發(fā)現(xiàn)仿貝殼珍珠層復合材料的抗侵徹性能和硬質(zhì)磚塊的長寬比、軟質(zhì)膠層的厚度和復合材料的設置層數(shù)有著十分密切的關系。而且模擬和參考文獻的實驗對應比較理想?？傮w上看,本文通過實驗加上ABAQUS有限元分析的方法,研究了3D打印仿貝殼珍珠層復合材料