蜂窝夹层结构由于具有轻质高强、可设计性好等优点,目前已经在航天航空、交通、建筑等领域得到了广泛应用。甲虫前翅(又称“鞘翅”)也是一种典型的三明治夹层板结构,具有轻质高强和优化程度高的特点。国内外学者对甲虫前翅结构开展了大量研究并提出了许多仿生模型。本课题组根据甲虫前翅三维结构提出了“小柱-蜂窝”芯夹层板结构,探明了甲虫前翅小柱共享机理,证实了具有“空心小柱-蜂窝”芯结构的甲虫板具有最佳的力学性能。然而如何用纤维强化树脂制备具有“空心小柱-蜂窝”芯结构的甲虫板却成为了一个难题。与此同时,有文献报道了根据甲虫龙虱前翅提出的芯层有横管的仿生模型(以下简称“横管模型”),其抗压承载能力为蜂窝板的4.8倍。为此,在开展有关甲虫板的研究之前,必须先探明横管模型与甲虫板模型优劣及其内在的影响机制。因此,本文首先通过压缩试验和有限元模拟对比分析了甲虫板与横管的平压力学性能,确定了本文甲虫前翅的结构仿生模型。然后在此基础上,开发了短切玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料甲虫板的制备工艺,制备了相应的甲虫板和等壁厚蜂窝板,通过平压试验分析考察了纤维增强复合材料甲虫板的平压力学性能,同时考察了材料属性对甲虫板力学性能的影响效果及其内在的影响机制。(1)为了对比分析甲虫板与横管模型的平压力学性能,分别开展了有柱横管模型、纯小柱甲虫板和蜂窝板的平压对比试验以及无柱横管模型、壁端柱甲虫板和蜂窝板的有限元平压模拟分析。结果证实了甲虫板具有更好的力学性能,而有柱横管模型中人为加入的横管会降低空心小柱的承载力且造成材料的浪费,导致其芯层体积是蜂窝板的3倍以上,但压缩力学却相对于蜂窝板只有小幅提高。据此确立了以甲虫板作为本文甲虫前翅结构的仿生模型。(2)结合甲虫板和纤维复合材料的特点,开发了短切玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料甲虫板的制备工艺。试制了甲虫板和与其芯层等壁厚的蜂窝板。通过平压试验,考察了其压缩力学性能、芯层结构破坏形态及其内在的影响机制。结果表明:甲虫板芯层单位体积耗能和比强度相对于蜂窝板分别提高了约75.8%和18.3%,但两种夹层板的抗压强度相差很小。前者是借助于甲虫板中空心小柱-蜂窝结构的存在,使得空心小柱在破坏初期,其上下部分仍能形成较为稳定的竖向承载结构,甲虫板在达到最大承载力后承载力下降缓慢,从而具有更好的耗能能力;后者则是由于两种夹层板的整体破坏都是由芯层壁剪应力引起的材料破坏,形成45°剪切破坏截面,所以两者抗压强度相差很小。当甲虫板芯层结构不发生屈曲变形时,芯层结构的破坏由材料强度破坏决定。据此探明了即使对于甲虫板要充分发挥其优越性,仍需要充分留意其芯层结构参数及其制备材料属性,否则有可能无法发挥仿生模型的优越性。为正确开展结构仿生研究奠定了理论基础。