摘要
复合材料具有重量轻、比强度高、抗疲劳、耐腐蚀、隐身效果好、可设计性强等优良的性能，而复合材料夹芯结构中芯材的引入更突出了复合材料的轻量化优势。因此，在航空航天、海洋工程、交通工程等重要领域都有复合材料层合与夹芯结构的大量运用，复合材料结构易受到面外方向的冲击作用，从而出现损伤甚至结构破坏。对于复合材料夹芯结构，面板损伤萌生与扩展、芯材压溃、面板夹芯脱胶等典型的冲击损伤模式彼此诱发并相互耦合，最终致使整体结构破坏。而在众多荷载条件中，外物冲击和水中爆炸冲击波作用作为当下的研究重点受到了越来越多的关注。本文基于复合材料层合和夹芯结构在低速冲击及水中爆炸荷载下的试验、理论与数值模拟的研究，揭示了复合材料层合及夹芯结构在两种冲击荷载作用下的动态响应过程、损伤破坏特征和失效机理，并在此基础上建立了复合材料夹芯结构低速冲击和水中爆炸的理论模型，阐明了面板及夹芯参数对提高抗冲击性能的影响。取得的主要成果如下： （1）复合材料层合板分层损伤扩展机理及预测方法研究。对复合材料层合板进行了不同冲击能量下的落锤试验，并使用超声波 C 扫描检测分层损伤情况。基于层合板的动态响应及分层损伤试验结果对数值计算模型的有效性进行验证，进一步分析了分层损伤的形成过程。通过分层损伤在面内及面外方向的分布特征和能量相关性，结合分层损伤的机理分析，提出了一种可行的分层损伤预测方法，揭示了层合板分层损伤扩展规律。 （2）复合材料夹芯板低速冲击侵彻过程的动态失效机理分析。对复合材料夹芯板开展落锤冲击试验，得到了夹芯板的失效破坏模态。基于试验得到的动态响应过程及最终失效特征对考虑纤维、基体方向各拉、压失效模式下损伤演化至失效的数值计算模型的有效性进行验证，同时对冲击侵彻过程中响应阶段及失效机理进行了讨论分析。通过开展不同铺层下非对称复合材料夹芯板的数值计算研究，探讨了提高抗冲击性能的影响因素，并结合失效机理分析给出了提高抗冲击性能的优化依据。 （3）发展了能够准确预测复合材料夹芯板低速冲击侵彻动态响应和失效过程的理论分析模型。基于对复合材料夹芯板低速冲击的试验和数值计算的研究，划分五阶段响应模式，应用哈密尔顿原理对每个阶段的变形响应和系统势能进行分析。提出可近似反应各阶段内变形响应特征的变形函数，并基于分阶段假设的形函数定义各响应阶段的临界判据。构建了复合材料夹芯板冲击侵彻过程中不同损伤破坏特征的失效判据。系统研究了复合材料面板冲头间摩擦以及芯材压溃、剪切破坏过程的能量吸收、能量耗散行为。理论模型可应用于芯材强度和面板铺层的参数化研究，为提高复合材料夹芯板抗冲击侵彻能力提供了理论依据。 （4）水中爆炸冲击波作用下复合材料层合板和夹芯板的动态响应过程和失效特征研究。构建了复合材料层合板和复合材料泡沫夹芯板在水中爆炸冲击波作用下的流固耦合数值计算模型，模型考虑了材料的率效应和失效判据。通过与两种结构水中冲击波加载试验结果的对比，验证了计算模型的有效性。系统研究了水中爆炸冲击波作用下不同峰值压强和衰减时间对复合材料层合板与夹芯板的动态响应过程和失效特征的影响规律，揭示了动态失效机理，并结合失效模式及失效谱讨论了流固耦合对动态失效带来的影响。 （5）基于流固耦合分析方法，建立了复合材料夹芯结构在水中爆炸冲击波作用下的理论分析模型。分别采用力平衡方程和哈密尔顿能量方程两种方法求解响应过程，将理论分析得到的动态响应过程和空化特征与数值模拟结果进行对比，发现力平衡方程求解方法具有局限性，采用哈密尔顿能量方程求解结果与数值模拟结果具有很好的一致性。系统研究了水中爆炸冲击波作用下芯材强度、弹簧刚度对复合材料夹芯结构的响应和能量吸收规律的影响。 本文针对复合材料夹芯结构的低速冲击、水中爆炸加载下的动态响应及失效行为，进行了系统的试验、数值模拟和理论分析，揭示了复合材料夹芯结构在不同冲击荷载作用下的失效机理，研究结果为复合材料夹芯结构在飞机、舰船等实际工程结构中的应用奠定了基础，为结构抗冲击优化设计提供了依据。
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