三维机织结构复合材料具有轻质高强、高效净型制造、可设计性优异等特点,在结构工程材料领域具有巨大的应用潜力。近年来,三维机织复合材料开始被用于制造发动机涡轮叶片、飞机起落架等。在复杂极端服役环境中,比如飞机在高空将长时间处于-50℃低温环境,复合材料结构件将遭遇偶发的冰雹、飞鸟冲撞,以及维护工具掉落碰撞等,因此研究三维机织复合材料低温环境下的动态冲击响应及热力耦合失效机理,对于复合材料结构件设计以及人员安全保障至关重要,对于三维机织复合材料的推广应用也具有重要意义。本文旨在研究三维角联锁机织复合材料低温场横向冲击损伤机理、结构效应和温度效应,通过建立热力耦合本构材料模型进行有限元分析,结合低温场经/纬向试件横向冲击试验,揭示三维角联锁机织复合材料低温环境横向冲击热力耦合损伤机理。主要研究内容:（1）建立三维角联锁机织复合材料几何结构模型,基于均质化方法、桥联模型,考虑温度和应变率因素,并考虑冲击加载下的绝热温升,建立热力耦合本构材料模型,写入有限元分析软件ABAQUS用户定义材料子程序VUMAT;（2）建立三维角联锁机织复合材料横向冲击加载几何模型,预定义初始温度场,调用VUMAT,计算复合材料低温场横向冲击响应,结合低温场横向冲击试验,分析三维角联锁机织复合材料低温场横向冲击热力耦合损伤机理;（3）利用搭载自制低温环境装置的MTS 810.23材料力学性能测试系统,对三维角联锁机织复合材料进行室温（20℃）和低温场（-20℃、-50℃、-80℃）准静态横向加载试验,研究温度对三维角联锁机织复合材料准静态横向加载性能的影响,并研究复合材料经向和纬向方向差异;（4）采用搭载自制低温环境装置的改进型霍普金森杆,测试三维角联锁机织复合材料在室温（20℃）和不同低温场（-20℃、-50℃、-80℃）以及不同冲击气压（0.2 MPa,0.3 MPa,0.4 MPa）下横向冲击性能,采用高速摄影设备拍摄瞬态过程,采用micro-CT进行内部损伤表征,研究温度、冲击气压对三维角联锁机织复合材料低温场横向冲击响应影响,并研究材料方向差异。主要研究发现:（1）低温环境影响三维角联锁机织复合材料经向和纬向试件准静态横向加载响应。准静态横向加载断裂载荷、弯曲强度和弯曲模量均随试验温度降低而增大。在相同温度下,纬向试件断裂位移、断裂载荷、弯曲强度和弯曲模量均超过经向试件。经/纬向试件弯曲强度随温度变化趋势为,-50℃以内随温度降低增加缓慢,-80℃时增加较多。弯曲模量相比于弯曲强度对温度变化更加敏感,经向试件相比于纬向试件对温度变化更加敏感。低温环境对经向和纬向试件破坏形态影响较大,对经向试件破坏程度较大于纬向试件。经向试件在室温及低温下失效模式包括表面树脂碎裂脱粘、树脂与纤维束界面开裂、经纱断裂等。随温度降低,表面树脂碎裂范围更大,裂纹从加载点开始向两边和向下扩展更广更深,低温下经向试件损伤更为严重。纬向试件在室温及低温下主要为上表面纬纱挤压断裂隆起、经纱之间树脂基体碎裂等,随温度降低,损伤范围和深度更小更浅,低温下纬向试件损伤较少,主要为表面纬纱断裂,低温对纬向试件具有整体硬化效果。（2）低温环境影响三维角联锁机织复合材料经向和纬向试件动态横向冲击响应。经/纬向试件横向冲击载荷峰值均随环境温度降低而增大,-80℃低温环境,相比20℃室温环境,在0.2 MPa、0.3 MPa和0.4 MPa冲击气压下,经向试件载荷峰值分别增加20%、58%和74%;纬向试件载荷峰值分别增加7%、12%和47%。同一环境温度下,纬向试件载荷峰值大于经向试件。随温度降低,纬向试件载荷峰值增加幅度小于经向试件,经向试件冲击失效模式主要为表面树脂基体碎裂增多,上表面破坏宽度减小但破坏深度变大,即“Y”形上部分剪切带与厚度方向夹角变小,树脂和经纱断裂使复合材料吸收能量增多。纬向试件低温环境冲击失效模式,主要为表面树脂碎裂、背面树脂脱粘及纬纱剪切断裂失效,以及内部微裂纹从冲击点开始斜向下扩展,温度越低,微裂纹扩展倾斜角越大,低温下纬向试件由长度方向伸直平行排列的纬纱作为主要承力组分,树脂基体模量增加使得复合材料纬向试件整体性更好,抗冲击能力更强。（3）冲击气压影响三维角联锁机织复合材料经向和纬向试件室温和低温场动态横向冲击响应。经/纬向试件横向冲击载荷峰值、位移以及能量吸收均随冲击气压增大而增大。在相同冲击气压下,纬向试件载荷峰值大于经向试件,随多次冲击进行,经向试件载荷峰值下降幅度较大于纬向试件,随冲击气压增加,载荷峰值下降幅度增加。经向试件厚度方向应力分布呈现“Y”形分布,包括上半部分沿屈曲经纱剪切断裂以及下半部分沿厚度方向经纱断裂,随冲击气压增大,经向试件“Y”形上部分剪切区域减少,在0.4 MPa冲击气压下形成“1”形断裂面特征;纬向试件应力分布呈现斜向剪切应力带,随冲击气压增大,试件上表面树脂基体碎裂增多,损伤范围扩大。低温场冻结整体分子链,而冲击载荷作用使得受冲击区域来不及做出反应,与低温场冻结效果类似,但只局限于受冲击局部。随着冲击气压增加,低温温度对复合材料经向和纬向试件产生影响增加。在-20℃～-50℃温度范围和冲击气压范围内纬向试件受冲击气压影响比受温度影响更大;-80℃对于复合材料纬向试件而言,树脂基体的低温脆化效应已开始对整体复合材料纬向试件产生影响。（4）热力耦合材料本构模型高效实现三维角联锁机织复合材料常温和低温环境横向冲击热力耦合计算分析。冲击加载下经/纬向试件应力均集中于冲击点下方,冲击点位置应力在第一次冲击过程中达到应力峰值,温度也因应力增大而升高,而温度升高造成应力减小,形成热力耦合效应。经向试件应力和温升沿纬向分布,纬向试件应力和温升集中于冲击点菱形或六边形区域,范围相比于经向试件更大。与室温纬向试件单剪切应力带不同,-80℃低温场试件厚度方向形成“∥”形双剪切应力带。经/纬向试件应力和温升均随环境温度降低而增大,经向试件温升受环境温度影响大于纬向试件。本文构建三维角联锁机织复合材料热力耦合材料本构模型,通过低温场动态横向冲击试验验证其有效性,该有限元分析模型可大量节省计算时间和资源成本,可为极端环境下复杂中大型结构件热力耦合分析及应用提供强度预测和可行性研究。