碳纤维增强聚合物（CFRP）因其优异的力学性能在航空、汽车和船舶领域广泛应用，但其在服役过程中易受意外低速冲击，导致局部损伤和结构性能退化，尤其重复冲击下的抗冲击性能提升是一大挑战。
针对这一问题，哈尔滨工业大学和国家强度与结构完整重点实验室的研究团队在Composites Science and Technology发表研究成果。该研究受自然界中Bouligand结构（如螳螂虾的锤状爪）的启发，提出一种双螺旋扭旋结构设计，旨在显著提升CFRP层合板的能量吸收能力和抗冲击韧性。论文标题为”Single and repeated low-velocity impact response of CFRP laminates with bioinspired double-helicoidal Bouligand structures”。
该研究通过实验与数值模拟相结合的方法，系统评估了单次及5次重复冲击下不同结构构型的响应。在方法上，文章制备了三种层合板试样：
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准各向同性（QI）
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单螺旋（SB）
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双螺旋（DB）
采用T700/环氧预浸料，通过湿法铺层/真空袋工艺成型。冲击试验在INSTRON CEAST 9350设备上进行，冲击能量范围为20–40 J，并通过超声C扫描技术对层间损伤进行无损检测。同时，建立了基于内聚力模型（CZM）和B-K失效准则的有限元模型，用于模拟层间剥离和能量吸收过程。
实验结果明确显示，双螺旋结构在能量吸收和峰值载荷方面均优于QI和单螺旋结构。在40 J单次冲击下，双螺旋结构（D20）的比吸能（SEA）比QI和B20分别提高20.3%和12.7%。该研究通过C扫描图像对比了D10和D20的层间损伤形貌，D10呈现出花瓣状分散损伤，有效促进了能量耗散，该图像因其生动展示结构优化带来的损伤模式转变而被推荐为封面图片。在重复冲击条件下，D10试样在5次冲击后SEA仅下降3.09%，而D20下降达13.87%，表明小螺距角双螺旋结构具备更好的耐久性和结构完整性。数据强化进一步突显了关键性能提升：SEA从QI基准提升至D20达20.3%；重复冲击后比能量吸收（SEA）保持率在D10上相比D20改善约10.78%；螺距角从22.5°优化至5°可在60 J冲击下带来约10%的SEA提升。
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比能量吸收(SEA) |
QI / B20 (基准) → D20 (双螺旋结构) |
↑20.3% / ↑12.7% |
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重复冲击后性能保持率 |
D20 (下降13.87%) → D10 (螺距角10°, 下降3.09%) |
↑10.78％ |
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螺距角优化效 |
D-22.5 (螺距角22.5°, 基准)→ D-5 (螺距角5°) |
↑约10% |
数值分析进一步验证了实验结论。通过调整螺距角（5°、10°、22.5°）和冲击体质量（5 kg、10 kg、20 kg），文章发现5°螺角在60 J冲击下SEA比22.5°提高约10%。同时，轻质高速冲击体（如5 kg）能诱发更均匀的损伤分布，进一步提升抗冲击性。该研究通过生物启发设计，为CFRP层合板在反复冲击环境下的性能提升提供了新思路，表明双螺旋Bouligand结构尤其在小螺距角配置下，能显著提高能量吸收、降低峰值载荷，并保持优良的结构可重复使用性，对航空航天、防护装备等领域的复合材料结构设计具有重要参考价值。
图1 由纤维叠层构成的Bouligand结构示意图
图2 冲击试验装置示意图
图3 低速冲击（LVI ）的三维有限元模型
图4 数值与实验结果的对比
图5 实验能量-时间曲线与损伤形貌
图6 重复冲击下的能量与力-位移响应
图7 冲击体质量对SEA及损伤形貌的影响
原始文献：
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.
原文链接：
https:///10.1016/j.compscitech.2025.111320