[发明专利]一种仿生交错层叠薄板结构的刚度和韧性调节方法

说明书

本发明公开一种仿生交错层叠薄板结构的刚度和韧性调节方法，属于仿生复合材料结构设计技术领域。所述调节方法在建立结构元胞本构模型和获取结构有效弹性模量及结构韧性表达式的基础上，通过合理地选择一个无量纲几何参数和一个无量纲材料参数的取值，来对所述仿生交错层叠薄板结构的刚度和韧性进行调节，可以实现较大的刚度调节范围和较高的结构韧性。本发明具有调节方式相对简单、调整范围较大的优点，可为一类仿生交错层叠薄板结构的设计提供技术支持与方法参考。

技术领域

本发明属于仿生复合材料结构设计技术领域，具体涉及一种仿生交错层叠薄板结构的刚度和韧性调节方法。

背景技术

生物与自然环境长期相互作用下形成了优异的功能与完美的结构，实现了结构与功能、局部与整体的统一。结构仿生就是以工程力学为基础，通过模拟天然生物材料的复合结构和优异功能，来创造新型工程结构及功能材料。例如，山羊在岩石间攀爬、跳跃的过程中，四肢能够承受剧烈的动态载荷，这说明其腿部骨骼在奔跑运动过程中发挥了良好的缓冲、隔振和抵抗外部冲击的作用。为此，人们试图通过研究山羊腿部骨骼的内部微观结构，探索并发展一种与腿部骨骼一样具有高强度、大韧性、强承载能力强等突出力学特性的仿生复合材料结构，来有效解决工程实际中经常遇到的振动冲击问题。

经研究发现，骨骼是一种主要由硬质矿物和软质胶原蛋白组成的天然生物组织，其具有优良性能的关键因素在于骨骼内部存在硬质矿物和软质胶原蛋白这两种成分呈多级“交错层叠”排列分布。近年来，受骨骼内部微观结构的启发，该领域研究人员提出了一种由用于模拟硬质矿物的硬质体和用于模拟软质胶原蛋白的软基体组成的仿生交错层叠薄板结构，有限长度的硬质体在软基体中均匀交错地分布，参见英文非专利文献“Anextended analytic model for the elastic properties of platelet-staggeredcomposites and its application to 3D printed structures,Youngsoo Kim,etal.,Composite Structures189(2018)27–36.”(题目：叠层复合材料弹性特性的扩展分析模型及其在三维打印结构中的应用，作者：Youngsoo Kim等，期刊名：复合材料结构，年份：2018年，卷：第189卷，页码：第27–36页)。

现有仿生交错层叠薄板结构在受到外力时，硬质体承受绝大部分载荷，而内部应力主要通过软基体的剪切变形传递，其特点是能够将硬质体和软基体的优点结合起来，相对一般复合结构在刚度、强度和阻尼特性上均具有一定优势。然而，现有结构仅考虑了骨骼中存在的硬质矿物和软质胶原蛋白两种成分，忽略了骨骼有机组分中广泛存在的牺牲键，存在结构刚度相对固定、结构韧性不够强且无法有效调节的问题，难以满足较大冲击载荷作用下的应用需求。也就是说，截止目前，还没有形成一种很好的设计方法能够实现这种结构刚度和韧性的调节。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种仿生交错层叠薄板结构的刚度和韧性调节方法，旨在解决现有仿生交错层叠复合结构刚度和韧性无法有效调节、从而难以满足应用需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种仿生交错层叠薄板结构的刚度和韧性调节方法，所述仿生交错层叠薄板结构包括多个平行布置的硬质体、多个平行布置的软基体、以及多个可断裂体，所述硬质体与软基体的外形均呈长条形且在竖直方向上依次交错排列，所述可断裂体设置于相邻的两所述硬质体之间且能够在外部轴向拉伸载荷作用下发生断裂，所述仿生交错层叠薄板结构可由一个元胞先通过竖直和水平方向上的两次镜像、后进行线性阵列的方式得到，所述元胞在结构上关于处于内部的软基体的中心点呈中心对称，所述刚度和韧性调节方法包括以下步骤：第一步，定义元胞的0相和1相，分别建立0相和1相两种相态下元胞的本构模型；第二步，分别获取0相和1相下元胞的有效弹性模量，以及从0相到1相的有效弹性模量下降率，选取无量纲几何参数η和无量纲材料参数α来调整结构的刚度；第三步，获取结构韧性的表达式，同样采用无量纲几何参数η和无量纲材料参数α来调整结构韧性。

所述刚度和韧性调节方法的详细步骤为：