摘要
复合材料泡沫夹层结构作为一种先进的结构形式，已广泛应用于航空航天领域，随着我国“先进轨道交通”重点专项的推进，复合材料泡沫夹层结构势必成为未来轨道交通设备轻量化技术的重点发展方向之一。冲击是导致夹层结构失效的主要原因，而复合材料泡沫夹层结构在诸如高速动车组列车、高速磁悬浮列车的工程应用场合中，极易受到鸟体、冰雹、近地碎石甚至隧道落石的冲击威胁。但国内外对复合材料泡沫夹层结构抗冲击性能的研究主要集中在低速领域，危害更大的高速领域则研究较少。因此，有必要深入研究复合材料泡沫夹层结构在高速冲击下的动态响应及背后的损伤机理。 本文选取以碳纤维增强复合材料(CarbonFiber Reinforced Plastic, CFRP)作为面板、以聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide, PMI)泡沫作为夹芯的夹层板作为研究对象，采用实验研究、理论研究以及数值仿真分析相结合的研究方法，为揭示复合材料泡沫夹层结构在高速冲击载荷作用下的破坏过程、吸能特性以及损伤机理，主要展开了以下工作： (1)利用一级轻气炮实验平台对复合材料泡沫夹层板在107.34~211.54m/s的速度范围内展开了一系列高速冲击实验，得到了弹体残余速度随初速度的变化规律，并通过分析试验件的损伤特征，确定了复合材料泡沫夹层板各组分在高速冲击下的失效模式，为建立与验证夹层板的损伤模型提供了依据； (2)根据高速冲击实验中试验件表现出的失效模式，建立了率相关的纤维增强复合材料动态损伤模型，模型中引入了动态增强因子以修正高速冲击条件下应变率效应的影响、使用了基于应变的三维Chang-Chang失效准则以适应冲击载荷作用下复合材料的失效特点，并结合可压缩泡沫模型(Crushable Foam Model)和内聚力模型(Cohesive Zone Model)，建立了完整的复合材料泡沫夹层结构冲击损伤模型； (3)利用通用仿真软件ABAQUS和用户子程序VUMAT，建立了复合材料泡沫夹层板的数值仿真分析模型，计算结果表明残余速度相较实验值相差不超过7.28%，且夹层板整体及其各组分的失效模式与实验结果吻合度较高，验证了仿真模型的有效性。在此基础上，对复合材料泡沫夹层板的高速冲击破坏过程和损伤展开了进一步的分析讨论，确定了复合材料泡沫夹层板的高速冲击破坏过程、吸能机制、失效类型以及损伤分布特征； (4)利用数值仿真技术对复合材料泡沫夹层板抗高速冲击特性展开参数研究，以弹道极限、面密度吸能、吸能率作为夹层板抗高速冲击性能评价指标，详细讨论了面板厚度、面板铺层以及夹芯厚度对复合材料泡沫夹层板在高速冲击载荷作用下残余速度、吸能性能以及结构损伤的影响规律，对复合材料泡沫夹层结构的设计工作提供了依据。
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