目前,汽车、航空等领域对于轻质高强材料的需求日益增加,仿生学为我们提供了设计轻质高强材料的思路。自然界中有许多具有优秀力学性能的生物组织结构,例如腔棘鱼鳞片的双螺旋布里刚结构、螳螂虾鳌棒的正弦-螺旋多区结构和红耳龟背甲的异质表皮三明治夹层结构,这些耦合结构让生物器官具备了抗冲击的特性,也为制造出优秀抗冲击性能的表皮和夹芯材料提供了新的思路。本文以玄武岩纤维这种天然无污染的高性能纤维作为增强材料,通过模拟以上生物耦合结构的铺层方式和空间结构,设计并成形了多种结构仿生夹芯材料表皮及蜂窝夹芯材料,以求提高夹芯材料的抗冲击性能,并且探究了材料的损伤模式。本文的具体研究内容如下:1.通过将腔棘鱼鳞片的双螺旋布里刚结构应用于玄武岩纤维表皮的成形制造中,以求提高夹芯材料表皮的抗冲击性能。通过对单向玄武岩纤维预浸料热压成形了仿生结构和传统结构的表皮,并建立了对应的有限元分析模型,在梯度冲击能量下进行低速冲击测试和有限元模拟计算,得到材料抗冲击性能的相关数据并进行了损伤结果分析。不同能量下,组内正交、组间螺旋的耦合双螺旋布里刚结构表皮的最大接触力相比于三螺旋结构、单螺旋结构、传统单向结构材料分别高出2.42%-9.97%、11.53%-23.74%、48.56%-68.94%,其组内正交、组间螺旋耦合的仿生结构结合了这两种结构的优点,使损伤的发生和裂纹的扩展更加困难,也因此具有了更好的抗冲击性能。2.通过将螳螂虾鳌棒的冲击区正弦结构和周期区的螺旋结构耦合应用于玄武岩纤维表皮的成形制造中,突破传统的平面层压材料设计形式,以求提高夹芯材料表皮的抗冲击性能。使用单向玄武岩纤维预浸料热压成形了仿生结构和传统结构的表皮,并建立了对应的有限元分析模型,在固定冲击能量下进行低速冲击测试和有限元模拟计算,得到材料抗冲击性能的相关数据并进行了损伤结果分析。正弦-螺旋耦合结构表皮的最大接触力相比于螺旋结构、正弦结构、传统单向结构材料分别高出13.00%、108.05%、65.29%,其正弦结构拥有良好的缓冲性能,并通过螺旋铺排的纤维增加了损伤发生的难度,因此损伤程度最低,抗冲击性能最好。3.通过将红耳龟背甲的异质表皮三明治结构应用于玄武岩纤维夹芯材料的成形制造中,分析不同表皮结构的夹芯材料的冲击行为响应,以求提高夹芯材料整体的抗冲击性能。使用单向玄武岩纤维预浸料和铝蜂窝热压成形和分步成形了仿生结构和传统结构的夹芯材料,并且建立了对应的有限元分析模型,在固定冲击能量下进行低速冲击测试和有限元模拟计算,得到材料抗冲击性能的相关数据和损伤结果分析。上表皮双螺旋、下表皮正交、芯层铝蜂窝的耦合结构夹芯材料的最大接触力相比于上表皮仿螳螂虾鳌棒结构、上表皮单向螺旋结构、上表皮正交结构材料分别高出9.44%、24.75%、16.19%。其蜂窝结构未压溃,仿生结构表皮能够将应力集中在冲击区域,结构完整性最好,抗冲击性能最好。