受生物材料启发的复合材料能够通过扬长避短的策略来调整结构的机械性能,比如实现结构的损伤耐受性能和抗冲击性能等。研究表明,多种优异的生物材料其微观结构都是周期性地将单轴纳米纤维层排列成螺旋状,其特点是轻质高强,具有显著的抗冲击和损伤耐受性能。然而这种仿生螺旋复合结构如何实现结构优化以实现其最大的抗冲击性能一直未被研究,受这种生物材料的微观结构的启发,本文设计出了6层、8层、10层的0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°的仿生螺旋铺层结构圆形薄板模型。本文先研究了模型的3D打印成型技术,得到了脱机打印方法和打印温度、打印层厚、打印速度等最佳打印工艺参数后制备出了这种仿生螺旋结构模型;然后利用偏转低速冲击试验机开展了低速动态冲击试验,研究了不同层厚、不同铺层角度对该结构抗低速冲击性能的影响,试验结果表明,随着铺层角度和层数(厚度)的变化,结构的抗低速冲击性能能够得到相应的改善,层厚越厚、螺旋铺层角度越小(除去0°),结构抗冲击性能越好,反之亦然;为了验证试验和弥补试验的不足,还利用LS-dyna软件进行了各向同性圆板的冲击数值仿真研究。数值仿真研究表明,层厚越厚,结构抗冲击能力越强,随着冲击速度的变化,结构响应和破坏过程也发生较大变化,随着冲击速度的增加,结构由裂纹扩展破坏逐渐发展为侵彻破坏。经过分析研究,通过改善铺层旋转角度就能够改善结构抗冲击性能的原因是:在尽可能发挥单层材料的拉伸强度的同时通过旋转铺层能够有效避免结构破坏发生在单层材料的薄弱处即有效的改善了结构的各向异性。这为增强重要工程结构的防护性能提供了更简便的改善方法,随着混凝土3D打印技术的成熟,期望将这种螺旋打印铺层结构应用在混凝土结构施工中,以提高混凝土结构的抗冲击、抗侵彻能力,同时还能实现经济和快速施工,应用前景广阔。