碳纤维增强金属复合材料目前是军事航天领域轻质防护结构的重点发展方向。本文针对洲际导弹和航天器的外部壳体在高速冲击下的防护,设计了一种碳纤维增强金属层合板(CRALL),通过弹道试验和数值仿真研究了其在弹丸高速冲击下的失效机理和弹道防护能力。本文首先通过材料测试获得了单向碳纤维板在0°和90°方向上的力学性能,并对比碳纤维复合物(CFRP)、碳纤维增强铝合金层合板(CRALL)和铝合金Al2024-T3力学性能。通过弹道高速冲击试验,研究了三种弹头(平头,球头和尖头)冲击侵彻下CFRP和CRALL靶板的变形过程、失效模式和弹道防护性能;通过实验结果对比,CRALL靶板对平头弹丸的抗冲击性能最强,球头和尖头弹丸次之;在等厚度情况下两种类型碳纤维增强铝合金层合板结构(CRALL1/3和CRALL2/3)的针对三种头部弹丸高速冲击下弹道防护性能和能量吸收能力要高于CFRP。通过Fortran语言在Abaqus中编写了适用于碳纤维复合物的三维实体单元冲击失效用户子程序(VUMAT)。基于VUMAT的数值仿真结果有效的模拟了CFRP的冲击失效过程,并与实验结果相符;在CFRP和CRALL的弹道冲击模型中获得的不同头部形状弹丸侵彻速度曲线和弹道极限与实验结果相符,验证了有限元模型和用户子程序的有效性。本文的研究结果表明,CRALL层合板比碳纤维复合材料(CFRP)具有更优的力学性能,在各层损伤、弹道极限以及能量吸收等抗冲击能力方面更具优势。研究内容为今后高速冲击下轻质防护结构的设计提供了理论基础和参考作用,具有重要的工程应用价值。