[發明專利]一種仿生交錯層疊薄板結構

在審

• 申請號: 201911260974.2
• 申請日: 2019-12-10
• 公開（公告）號: CN111027212A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 王笑寒;李東旭;劉望
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/24
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 趙朕毅

本發明公開一種仿生交錯層疊薄板結構，屬于仿生復合材料結構設計技術領域。為解決現有仿生交錯層疊復合結構韌性相對較弱、難以滿足較大沖擊載荷作用下應用需求的技術問題，本發明提出在兩硬質體的結合部分設計一種仿犧牲鍵特性的可斷裂體，結構在外部軸向拉伸載荷的作用下，能夠通過可斷裂體的斷裂過程產生額外的能量耗散，從而實現結構整體的韌性增強。本發明較好地模擬了骨骼等生物材料中存在的犧牲鍵結構，在增加結構韌性的同時，還實現了結構抗拉剛度的可變。

技術領域

本發明屬于仿生復合材料結構設計技術領域，具體涉及一種仿生交錯層疊薄板結構。

背景技術

自然界中的生物材料，例如哺乳動物的骨骼，因其在強度、剛度和韌性方面的出色表現而一直吸引著人們的研究興趣，試圖探索并發展一種能夠很好模仿生物材料優異力學性能的仿生復合材料結構，以解決結構工程領域中面臨的技術難題。

骨骼是一種主要由硬質礦物和軟質膠原蛋白組成的天然生物組織復合材料。從外至內，可分為密致骨和松質骨兩種不同類型，其中，密質骨對骨骼整體的強度、剛度以及結構韌性等力學性能起著主要影響作用。人們研究發現，骨骼的楊氏模量可達10Gpa，抗拉強度可達80-120Mpa，其優異的力學性能的關鍵在于密質骨內部存在“交錯層疊”的復雜多級骨板微結構。受骨骼內部微觀結構的啟發，研究學者們提出了一種由硬質體和軟基體組成的仿生交錯層疊薄板結構模型，以發展性能更加優越的工程結構，參見英文非專利文獻“Anextended analytic model for the elastic properties of platelet-staggeredcomposites and its application to 3D printed structures,Youngsoo Kim,etal.,Composite Structures 189(2018)27–36.”(題目：疊層復合材料彈性特性的擴展分析模型及其在三維打印結構中的應用，作者：Youngsoo Kim等，期刊名：復合材料結構，年份：2018年，卷：第189卷，頁碼：第27–36頁)。

現有的仿生交錯層疊薄板結構主要將硬質體和軟基體的優點結合起來，相對一般復合結構在剛度、強度和阻尼特性上均具有優勢。然而，它僅考慮了骨骼中存在的硬質礦物和軟質膠原蛋白兩種成分，忽略了密質骨有機組分中廣泛存在的犧牲鍵，存在結構剛度相對固定、一旦設計出來就無法改變的問題，而且更重要的是，所設計出的結構存在韌性不夠強、難以滿足較大沖擊載荷作用下應用需求的問題。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種預設有可斷裂體的仿生交錯層疊薄板結構，旨在解決現有仿生交錯層疊復合結構剛度無法改變、結構韌性不夠強的技術問題。

為實現上述目的，本發明提出一種預設有可斷裂體的仿生交錯層疊薄板結構，包括多個平行布置的硬質體、多個平行布置的軟基體、以及多個可斷裂體，所述硬質體與軟基體的外形均呈長條形且在豎直方向上依次交錯排列，所述可斷裂體設置于相鄰的兩所述硬質體之間且能夠在外部軸向拉伸載荷作用下發生斷裂。

整體結構具有周期性和重復性，可以由一個元胞先通過豎直和水平方向上的兩次鏡像、后進行線性陣列的方式得到，所述元胞為整體結構的一個最小分析單元。

所述元胞在結構上關于處于內部的軟基體的中心點呈中心對稱。

優選地，所述可斷裂體的寬度和厚度均與所述硬質體相同。

優選地，一個所述硬質體的長度等于一個所述軟基體的長度和一個所述可斷裂體的長度之和。

優選地，在兩所述軟基體之間還存在有一個空腔。

優選地，所述空腔的長度等于所述可斷裂體的長度。

優選地，所述空腔的寬度等于所述軟基體的寬度。

與現有技術相比，本發明技術方案的有益效果主要體現在以下兩個方面：