碳纤维层合板已经被广泛用于航空飞行器结构,其在战斗部破片和枪炮弹丸等高速冲击下的损伤模式、损伤机理和损伤程度由弹丸特性和层合板特性共同决定。而弹丸特性和层合板特性的构成因素很多,这些因素对冲击损伤的影响关系非常复杂。论文以航空飞行器结构用碳纤维平纹织物层合板为研究对象,综合运用气炮冲击、火炮射击、战斗部静爆等试验研究和数值仿真手段,开展了碳纤维平纹织物层合板在高速冲击下的损伤行为及损伤特性研究。分别从提高战斗部破片杀伤力和降低层合板结构冲击损伤程度这两个对立面给出了设计建议。研究成果可为战斗部破片设计提供参考,也给飞行器结构提高抗弹片冲击设计提出了有价值的指导性建议。本文以气炮冲击试验为基础,以火炮射击和战斗部静爆实装试验结果为对照,分析了不同冲击条件下试验件的损伤形貌及损伤模式特点,研究了冲击条件、损伤形貌和耗能模式三者之间的关联。用弹丸比动能表征弹丸的冲击能力,用靶板临界穿透比动能表征层合板的抗冲击能力,根据弹丸比动能和靶板临界穿透比动能的大小进行损伤预测,并将损伤模式预测结果用于改进冲击损伤数值模型,开展了碳纤维平纹织物层合板高速冲击和混杂层合板高速冲击损伤特性数值仿真研究。论文主要研究内容及成果如下:一是开展了层合板冲击损伤试验研究,分析了损伤形貌、损伤程度与弹丸比动能间的对应关系,指出弹丸比动能是冲击损伤的决定性因素之一。运用一级空气炮驱动5种弹丸,对5mm和7mm厚环氧树脂基碳纤维平纹织物层合板开展了60次冲击试验。分析了试验件的损伤形貌特征,将冲击损伤形态分为背面裂缝型、背面炸裂型和切孔型三类。研究了各损伤形态包含的损伤模式及机理,给出了层合板冲击损伤形态和损伤程度随弹丸比动能的变化规律。用火炮射击和战斗部静爆试验检验了所得冲击损伤规律在实装冲击条件下的正确性。研究指出:在本文试验条件下,弹丸比动能是层合板高速冲击损伤形态和损伤程度的决定性因素之一,不同比动能造成的损伤形态、损伤模式及其范围也不同;比动能较低时层合板厚度对损伤形态和损伤程度影响显著,厚板的冲击损伤以背面裂缝型和背面炸裂型为主,薄板损伤多为背面炸裂型,层合板冲击背面损伤面积和内部分层面积均较大;而比动能高时薄板和厚板均为切孔型损伤,冲击损伤范围较小。二是开展了冲击损伤耗能理论研究,提出了一种工程化的、根据弹丸比动能与靶板临界穿透比动能进行冲击损伤模式和范围的预测方法。以试验件各损伤形态的损伤模式及其机理分析为基础,结合冲击应力波传播理论和能量守恒关系,开展了层合板各冲击损伤模式的损伤耗能分析。建立了冲击损伤区域简化模型,确定了各区域内的主要损伤模式,分析了各区域几何参数影响因素。提出了一种以临界穿透状态为基准的、根据少量弹丸和靶板参数计算比动能,并进行冲击损伤模式及其范围预测的方法。三是开展了数值仿真试验研究,将冲击损伤预测结果用于改进数值仿真模型,研究了不同弹丸特性对冲击损伤的影响规律,给出了可提高对复合材料目标毁伤效果的战斗部设计指导性建议。改进之处为,在仿真之前先根据冲击条件预测靶板的损伤模式及其范围,在预测的不同损伤区域内选用与损伤类型相应的损伤判据。通过VUMAT用户子程序编程实现了基于损伤模式的损伤本构关系,运用ABAQUS/Explicit模块求解数值模型。对仿真试验、气炮试验的损伤形貌和损伤范围对比,验证了数值仿真的正确性及引入损伤预测的有效性。用数值仿真试验研究了弹丸速度、接触面积、弹丸材料密度和近距干扰等弹丸特性对冲击损伤的影响规律。基于这些规律,对破片杀伤式战斗部设计提出了选用合金钢材料、降低装药比、减小破片质量、优先选用条状和瓦片状破片、采用破片聚焦技术等指导性设计建议,这些建议大部分已被采纳。四是开展了混杂层合板高速冲击损伤研究,给出了降低冲击损伤程度的韧性材料选用和铺覆位置设置等设计指导建议。将气炮冲击试验、火炮射击试验与数值仿真相结合,研究了表面铺覆无碱玻璃纤维铺层或芳纶纤维铺层构成的两种碳纤维层间混杂层合板在不同放置方式下、不同弹丸速度时的损伤情况。基于混杂层合板冲击损伤试验对比,给出了在冲击正面铺覆韧性铺层,降低层合板冲击损伤程度的设计建议。研究表明:混杂层合板的混杂界面分层普遍存在,当玻璃纤维或芳纶纤维铺覆在冲击背面时,混杂界面分层面积分别可达非混杂层合板分层面积的6.5倍和2.3倍;对于固定弹丸及入射姿态,随着冲击速度增高,各类铺覆方式的混杂界面分层均有所减小。给冲击正面铺覆芳纶或者玻璃纤维铺层对降低层合板的冲击损伤程度均有效,但这种效果仅在冲击速度较低时明显。在276～365m/s速度范围内,给冲击正面铺覆芳纶铺层,可使出射面损伤面积减小32%～76%,而且混杂界面分层相对较小。当冲击速度更高造成切孔型损伤时,铺覆韧性铺层后损伤程度降低不多。冲击正面铺覆玻璃纤维时混杂界面分层比铺覆芳纶纤维时严重。综合各因素,为降低冲击损伤程度,更适宜给冲击正面铺覆芳纶纤维。本文学术价值和创新性主要体现在以下三个方面:一是首次提出了基于弹丸比动能和靶板临界穿透比动能的工程化损伤预测方法,以少量条件参数实现了对损伤模式及其范围的预测。二是给出了依据不同损伤模式采用相应失效判据的改进新型冲击损伤数值仿真方法,改善了冲击损伤数值仿真中损伤判据选用的单一性和盲目性等不足。三是通过混杂层合板冲击损伤对比研究,给出了可降低冲击损伤程度的韧性材料选用和铺覆位置确定等混杂结构设计建议。这些方法和结论对理论研究和工程应用均有一定参考价值。