本发明专利技术公开了一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构，属于仿生复合材料结构设计技术领域。为提高现有仿生交错层叠复合结构受冲击载荷下的耗能特性，本发明专利技术提出以硬质体薄板为增强体，以粘弹性材料为基体的仿生交错复合结构，在冲击载荷作用下，基体可通过粘性对冲击能量进行耗散，从而提高整体结构的抗冲击性能。本发明专利技术较好的模拟了骨骼、贝壳珍珠层等生物材料中由硬质矿物质增强体和软质蛋白质基体组成的交错结构，具有较好的抗冲击性能。具有较好的抗冲击性能。具有较好的抗冲击性能。
【技术实现步骤摘要】
一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构
[0001]本专利技术属于仿生复合材料结构设计
，具体涉及一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构。
技术介绍
[0002]经过数百万年的进化，许多生物已经发展出了强度较高且韧性较好的生物复合物，哺乳动物的骨骼是高等生物中一种重要的组织结构，同时又是最具代表性的天然生物硬质材料之一。骨骼具有包括轻质量、大刚度、高强度、大阻尼和强断裂韧性等在内的优良综合力学性能，使它们能够支撑动物的体重，抵抗外力和冲击，保护内部的软器官。
[0003]骨骼主要由三种成分构成：胶原蛋白基质，矿物质增强体(羟基磷灰石)和水。这三种成分会随着动物的年龄变化而改变，并且不同类型的骨骼中三种成分的比例也有明显差异，这是影响骨骼力学性能的主要原因之一。骨骼结构具有多层级、多尺度的特点，其纳米尺度结构是由硬质羟基磷灰石晶体作为增强体、软质胶原蛋白分子作为基体交错排列组成。羟基磷灰石的杨氏模量约为130GPa，强度约为100MPa；胶原蛋白的剪切模量约为1.25GPa，杨氏模量约为50到100MPa，强度约为20MPa；骨骼的杨氏模量变化范围为8到24GPa，强度约为100MPa，骨骼充分利用了这两种组分的优点(刚度和变形能力)，而避免了它们的缺点(脆性和承载能力差)。
[0004]现有的仿生交错复合结构主要是利用硬质增强体与软质基体交错排列使结构达到轻质、高刚度和高韧性的特点，改善结构的静力学特性。然而实际结构所受的载荷多为复杂的动载荷，生物结构在实际环境中所承受的也是动载荷，骨骼中结构的主要耗能方式是胶原蛋白基体的粘性，将其引入结构设计中，专利技术了一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构，可提高结构的抗冲击特性。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于提出了一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构，该方法旨在改善现有仿生交错结构受冲击载荷下的耗能特性，提高结构的抗冲击性能。
[0006]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：
[0007]一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构，其特征在于，包括多个平行布置的硬质增强体(1)以及具有粘弹性特性的软质基体(2)，所述硬质增强体(1)呈长条形且在竖直方向上依次交错排列，镶嵌在软质基体(2)中。
[0008]进一步的，所述仿生交错结构具有周期性和重复性，可由一个单胞结构(3)在竖直方向上进行多次循环镜像，之后在水平方向上再次进行多次循环镜像得到仿生交错结构的整体结构，所述单胞结构(3)为仿生交错结构的一个最小分析单元。
[0009]进一步的，所述单胞结构(3)由上硬质增强体(1a)、下硬质增强体(1b)和软质基体(2)组成，软质基体(2)填满除上、下硬质增强体外的空腔部分，上硬质增强体(1a)、下硬质增强体(1b)的大小相同，其高度和长度分别为b和L
h
，软质基体(2)的厚度为h，单胞结构长
度为L。
[0010]进一步的，所述硬质增强体(1)为线弹性材料，发生线弹性变形，可存储冲击能量，其本构关系符合胡克定律，
[0011]σ＝λTr(ε)I+2με
[0012]式中σ为应力张量，ε为应变张量，Tr()为矩阵的迹，μ为剪切模量，I为单位矩阵，λ为拉梅常数，E为材料弹性模量，v为泊松比；
[0013]所述软质基体(2)为粘弹性材料，所述软质基体发生粘弹性变形，可存储并且耗散能量，其本构关系符合Kelvin
‑
Voigt本构模型，其本构关系可表示为
[0014][0015]式中σ为应力张量，ε为应变张量，为应变张量对时间的导数，λ为拉梅常数，Tr()为矩阵的迹，μ为剪切模量，I为单位矩阵，θ
μ
和θ
λ
为特征迟滞时间，有η为粘性系数。
[0016]本专利技术还提供一种对所述的一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构的单胞结构进行动力学特性分析的方法，该方法利用ABAQUS有限元软件，具体包括以下步骤：
[0017]S1，建立单胞结构几何模型，几何模型为二维平面模型；
[0018]S2，对硬质增强体和软质基体赋材料属性，其中硬质增强体材料本构模型采用ABAQUS中的线弹性本构模型，软质基体材料粘弹性本构模型通过编写VUMAT本构子程序实现；
[0019]S3，创建分析步，分析步类型为ABAQUS/Explocit中的Dynamic Explicit显示动力学分析步，时间步长为自动时间步长；
[0020]S4，定义边界条件和冲击载荷
[0021]约束单胞结构上下两边界的纵向位移；对单胞结构左右两边分别施加耦合约束，使得左右两边的横向位移相等，在模型左右两边施加应力冲击载荷；
[0022]所述冲击载荷类型为后峰锯齿波冲击；
[0023]S5，划分网格，网格单元类型为四节点平面应力单元；
[0024]S6，提交Job，进行求解。
[0025]进一步的，子步骤S2所述粘弹性本构子程序VUMAT中需要定义应力增量
△
σ和粘性耗能增量
△
E
diss
，
[0026]所述应力增量
△
σ可根据所述Kelvin
‑
Voigt本构模型对时间求导得到
[0027][0028]式中σ为应力张量，ε为应变张量，
△
t为时间增量，
△
ε为应变张量增量，λ为拉梅常数，Tr()为矩阵的迹，μ为剪切模量，I为单位矩阵，θ
μ
和θ
λ
为特征迟滞时间，有η为粘性系数；
[0029]所述粘性耗能增量
△
E
diss
由下式定义
[0030][0031]式中λ为拉梅常数，θ
μ
和θ
λ
为特征迟滞时间，
△
t为时间增量，
△
ε
ij
为第(i,j)个应变张量的增量，n
i
、n
j
为应变张量ε的维度，∑表示求和运算符，δ
ij
为Kronecker符号，当i＝j时δ
ij
＝1，当i≠j时δ
ij
＝0。
[0032]本专利技术的有益技术效果为：本专利技术设计了一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构，结构受冲击载荷作用下，可通过基体粘性进行能量耗散，大大提高了所述仿生交错结构的抗冲击性能。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0034]图1为一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构示意图；
[0035]图2为单胞结构示意图；
[00本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构，其特征在于，包括多个平行布置的硬质增强体(1)以及具有粘弹性特性的软质基体(2)，所述硬质增强体(1)呈长条形且在竖直方向上依次交错排列，镶嵌在软质基体(2)中。2.根据权利要求1所述的一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构，其特征在于，所述仿生交错结构具有周期性和重复性，可由一个单胞结构(3)在竖直方向上进行多次循环镜像，之后在水平方向上再次进行多次循环镜像得到仿生交错结构的整体结构，所述单胞结构(3)为仿生交错结构的一个最小分析单元。3.根据权利要求2所述的一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构，其特征在于，所述单胞结构(3)由上硬质增强体(1a)、下硬质增强体(1b)和软质基体(2)组成，软质基体(2)填满除上、下硬质增强体外的空腔部分，上硬质增强体(1a)、下硬质增强体(1b)的大小相同，其高度和长度分别为b和L
h
，软质基体(2)的厚度为h，单胞结构长度为L。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构，其特征在于，所述硬质增强体(1)为线弹性材料，发生线弹性变形，可存储冲击能量，其本构关系符合胡克定律：σ＝λTr(ε)I+2με式中σ为应力张量，ε为应变张量，Tr()为矩阵的迹，μ为剪切模量，I为单位矩阵，λ为拉梅常数，E为材料弹性模量，v为泊松比；所述软质基体(2)为粘弹性材料，所述软质基体发生粘弹性变形，可存储并且耗散能量，其本构关系符合Kelvin
‑
Voigt本构模型，其本构关系表示为：式中σ为应力张量，ε为应变张量，为应变张量对时间的导数，λ为拉梅常数，Tr()为矩阵的迹，μ为剪切模量，I为单位矩阵，θ
μ
和θ
λ
为特征迟滞时间，有η为粘性系数。5.一种对权利要求1
‑
4中任一项所述的一种含粘弹性基体的抗冲击仿生交错结构的单胞结构进行动力学特性分析的方法，该方法利用ABAQUS有限元软件，其特征在于，包括以下步骤：S1，建立单胞结构几何模型，几何模型为二维平面模型；S...
【专利技术属性】
技术研发人员：聂云清，罗青，刘畅，季浩然，段富强，张涵，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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