碳纖維增強聚合物（CFRP）因其優(yōu)異的力學性能在航空、汽車和船舶領域廣泛應用，但其在服役過程中易受意外低速沖擊，導致局部損傷和結構性能退化，尤其重復沖擊下的抗沖擊性能提升是一大挑戰(zhàn)。

針對這一問題，哈爾濱工業(yè)大學和國家強度與結構完整重點實驗室的研究團隊在Composites Science and Technology發(fā)表研究成果。該研究受自然界中Bouligand結構（如螳螂蝦的錘狀爪）的啟發(fā)，提出一種雙螺旋扭旋結構設計，旨在顯著提升CFRP層合板的能量吸收能力和抗沖擊韌性。論文標題為”Single and repeated low-velocity impact response of CFRP laminates with bioinspired double-helicoidal Bouligand structures”。

該研究通過實驗與數(shù)值模擬相結合的方法，系統(tǒng)評估了單次及5次重復沖擊下不同結構構型的響應。在方法上，文章制備了三種層合板試樣：

• 準各向同性（QI）

• 單螺旋（SB）

• 雙螺旋（DB）

采用T700/環(huán)氧預浸料，通過濕法鋪層/真空袋工藝成型。沖擊試驗在INSTRON CEAST 9350設備上進行，沖擊能量范圍為20–40 J，并通過超聲C掃描技術對層間損傷進行無損檢測。同時，建立了基于內聚力模型（CZM）和B-K失效準則的有限元模型，用于模擬層間剝離和能量吸收過程。

實驗結果明確顯示，雙螺旋結構在能量吸收和峰值載荷方面均優(yōu)于QI和單螺旋結構。在40 J單次沖擊下，雙螺旋結構（D20）的比吸能（SEA）比QI和B20分別提高20.3%和12.7%。該研究通過C掃描圖像對比了D10和D20的層間損傷形貌，D10呈現(xiàn)出花瓣狀分散損傷，有效促進了能量耗散，該圖像因其生動展示結構優(yōu)化帶來的損傷模式轉變而被推薦為封面圖片。在重復沖擊條件下，D10試樣在5次沖擊后SEA僅下降3.09%，而D20下降達13.87%，表明小螺距角雙螺旋結構具備更好的耐久性和結構完整性。數(shù)據(jù)強化進一步突顯了關鍵性能提升：SEA從QI基準提升至D20達20.3%；重復沖擊后比能量吸收（SEA）保持率在D10上相比D20改善約10.78%；螺距角從22.5°優(yōu)化至5°可在60 J沖擊下帶來約10%的SEA提升。

數(shù)值分析進一步驗證了實驗結論。通過調整螺距角（5°、10°、22.5°）和沖擊體質量（5 kg、10 kg、20 kg），文章發(fā)現(xiàn)5°螺角在60 J沖擊下SEA比22.5°提高約10%。同時，輕質高速沖擊體（如5 kg）能誘發(fā)更均勻的損傷分布，進一步提升抗沖擊性。該研究通過生物啟發(fā)設計，為CFRP層合板在反復沖擊環(huán)境下的性能提升提供了新思路，表明雙螺旋Bouligand結構尤其在小螺距角配置下，能顯著提高能量吸收、降低峰值載荷，并保持優(yōu)良的結構可重復使用性，對航空航天、防護裝備等領域的復合材料結構設計具有重要參考價值。

圖1 由纖維疊層構成的Bouligand結構示意圖

圖2 沖擊試驗裝置示意圖

圖3 低速沖擊（LVI ）的三維有限元模型

圖4 數(shù)值與實驗結果的對比

圖5 實驗能量-時間曲線與損傷形貌

圖6 重復沖擊下的能量與力-位移響應

圖7 沖擊體質量對SEA及損傷形貌的影響

原始文獻：

Yang, F., & Meng, S. (2025). Single and repeated low-velocity impact response of CFRP laminates with bioinspired double-helicoidal Bouligand structures. Composites Science and Technology, 270, 111320.

原文鏈接：

https:///10.1016/j.compscitech.2025.111320