哈工大《CST》研究总结：仿生双螺旋结构破解 CFRP 抗冲击难题
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一、研究背景：CFRP 的 “抗冲击痛点” CFRP 因力学性能优异，广泛应用于航空、汽车、船舶领域，但存在明显短板：
服役中易受低速意外冲击，导致局部损伤、结构性能退化； 重复冲击下的抗冲击性能提升，是行业长期面临的技术挑战。
二、实验设计：从试样到验证的完整方案 团队通过 “试样制备 + 实验测试 + 数值模拟” 结合的方式展开研究，核心设计如下：
试样类型 制备 3 种 CFRP 层合板，对比验证结构差异的影响 准各向同性结构（QI，基准组）； 单螺旋 Bouligand 结构（SB）； 双螺旋 Bouligand 结构（DB，核心研究对象）。 材料与工艺 采用 T700 / 环氧预浸料，通过湿法铺层 + 真空袋工艺成型。 测试条件 冲击试验：用 INSTRON CEAST 9350 设备，冲击能量 20-40J； 损伤检测：超声 C 扫描技术评估层间损伤； 数值模拟：建立 1:4 物理模型，用 Hashin 失效准则、CZM 模型模拟层内 / 层间损伤，验证实验准确性。 三、关键结果：双螺旋结构的 “性能优势” 实验数据明确显示，双螺旋（DB）结构在抗冲击性能上全面优于基准组（QI）和单螺旋（SB）结构，核心亮点如下：
- 单次低速冲击：能量吸收能力显著提升 在 40J 冲击下，双螺旋结构（D20）的比吸能（SEA）比 QI、SB（B20）分别提升 20.3%、12.7%； 小螺距角 DB 结构（如 D10）呈现 “花瓣状层间损伤”，能更高效耗散冲击能量，该损伤形貌图还被推荐为期刊封面。
- 重复冲击：耐久性更强 经过 5 次重复冲击后，小螺距角 D10 的 SEA 仅下降 3.09%，而 D20 下降 13.87%，说明小螺距角设计能大幅提升结构完整性和耐久性； D10 的 SEA 保持率比 D20 改善约 10.78%。
- 关键参数影响：螺距角与冲击器质量 螺距角越小性能越优：螺距角从 22.5° 优化至 5° 时，60J 冲击下 SEA 提升约 10%； 冲击器质量越轻越有利：5kg 轻质冲击体能诱发更分散的损伤分布，进一步提升抗冲击性（对比 10kg、20kg 冲击体）。 四、研究意义：为工程应用提供新思路 该研究的核心价值在于 “从自然仿生到工程落地”：
首次将 Bouligand 生物结构应用于 CFRP 抗冲击设计，解决了重复冲击下性能退化的痛点； 明确了 “小螺距角 + 双螺旋” 的最优结构组合，为航空航天（如飞行器结构）、防护装备（如抗冲击部件）的复合材料设计提供直接技术参考； 实验与模拟结合的研究方法，也为同类复合材料抗冲击性能研究提供了可复用的方案。
