冲击载荷下分支交错层状仿生复合材料动态断裂行为的实验研究和数值模拟

通过三点弯动态冲击实验和数值模拟方法,研究了分支交错层状仿生复合材料的动态断裂韧性。首先设计并制备了分支交错层状仿贝壳复合材料试样,即将一种脆性刚性材料和一种橡胶类材料分别作为复合材料的硬质层和软胶层;随后采用改进的分离式Hopkinson压杆装置进行了三点弯冲击实验;接着讨论了初始冲击速度、硬质材料长宽比、软质材料层厚度对复合材料试样动态断裂行为的影响;最后采用ABAQUS有限元数值模拟,研究了不同宽度和不同冲击方向对复合材料试样动态断裂韧性和裂纹扩展的影响。结果表明:随着冲击速度和硬质材料长宽比增加、软胶层厚度减小,裂纹越倾向于沿直线扩展,反之,裂纹越倾向于绕过硬质材料沿着软胶层呈折线扩展;试样的峰值动载荷和起裂时间也随之增大。有限元模拟结果表明:随着结构总宽度的增大,试样断裂韧性增加,裂纹倾向于绕过硬质材料沿着软胶层扩展;采用实验设计的冲击方向时,试样的断裂韧性高于其他方向。