沖擊載荷下仿貝殼珍珠層Voronoi結構的動態力學響應

武曉東，張海廣，王 瑜，孟祥生

（1. 中國輻射防護研究院核應急與核安全研究所，山西 太原 030009；2. 太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

仿貝殼珍珠層復合材料作為新型復合材料，有著優異的力學性能，不僅具有很高的強度，而且具有很好的韌性，近年來引起了學術界的不斷關注[1-6]。很多發達國家非常重視貝殼結構材料和仿生材料研究，如美國等國家設置了專門的經費來研究貝殼生物材料的仿生設計和性能，用于裝甲防彈衣和防爆裝置。貝殼珍珠層復合材料的優異力學性能與其微觀結構密切聯系，為此研究人員對珍珠質的微觀結構特征（體積分數、片劑長寬比、重疊長度等）進行了深入分析，試圖將其與模型的力學性能聯系起來[7-12]。Dutta 等[13]研究了珍珠層中裂紋的萌生規律，評估了重疊長度對裂紋尖端驅動力的影響。Kotha 等[14]的研究顯示，低縱橫比的文石片可以制造出具有高韌性的復合材料。Barthelat 等[15]發現，珍珠層沒有實現穩定狀態的裂紋擴展，并將其歸因于片層拔出增韌機制。其他學者也發現珍珠層內部和外部韌化機制阻止了裂紋的擴展[16-21]。

Barthelat 等[15]通過觀察發現，在每層貝殼珍珠層中，平板的排列與Voronoi 圖相似，從一個紅色鮑魚標本的光學圖像中可以看到每個貝殼層壓板都有礦物片的隨機分布，并與其他珍珠層成鍵。基于這些光學圖像，他們生成了一個由兩層貝殼的平板結構組成的幾何模型，用于有限元分析。自1907 年Shamos 和Hoey 提出分治算法的最初定義和描述之后，Voronoi 圖便成為眾多學科的中心主題之一。……