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碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)以其良好的力学性能、减振抗噪性能、可设计性能和耐腐蚀性能在船舶与海洋工程领域有重要的应用。由于海洋结构物在服役期间不仅会长时间的经受温度和湿度的交变循环作用，还不可避免地会受到鱼雷破片、导弹碎片等弹体的侵彻，因此有必要开展CFRP抗侵彻性能随湿热循环周期演化研究，掌握其在不同冲击载荷下的损伤特性和能量吸收机理，揭示湿热循环作用、弹体冲击速度、层合板铺层角度对CFRP能量吸收特性、侵彻失效机理和破坏模式的影响规律。本文使用实验和有限元方法研究了湿热交变循环环境下CFRP层合板的抗侵彻性能。
首先通过制备[0/90]6s、[0/30/90/-60]3s和[0/45/90/-45]3sCFRP层合板，开展湿热交变循环试验，获得CFRP层合板的吸湿动力学曲线，其结果表明CFRP的吸湿过程可分为前期、中期和后期三个阶段，铺层角度未对CFRP的吸湿特性造成太大影响。使用Fick扩散模型分析湿热交变循环环境下CFRP层合板的吸湿特性，结果表明层合板吸湿速率先增加后减小最后趋于平缓，实验结果符合Fick吸湿模型。利用有限元方法获取层合板内部水份扩散规律，结果表明水份从层合板表面向内部扩散，层合板内部含水量随湿热时间的增加而增加，水份在三种层合板内部扩散过程大致相同。使用ESEM扫描电镜设备观察湿热循环环境对CFRP中碳纤维、树脂基体和纤维基体界面的影响规律，结果显示湿热交变循环处理后CFRP的碳纤维未发生变化，而纤维基体界面出现裂纹、材料表面出现孔洞。
然后对经不同程度湿热循环处理后的CFRP层合板开展侵彻实验，使用高速摄像机记录弹体冲击层合板的过程，获取弹体剩余速度、弹体冲击区域的损伤模式和层合板的整体变形失效特征。研究结果表明：当层合板的铺层类型相同，随湿热循环时间的增加，层合板的弹道极限下降；当湿热循环处理时间相同，三种层合板的弹道极限为[0/90]6s>[0/45/90/-45]3s>[0/30/90/-60]3s。当层合板的铺层类型和弹体冲击速度相同，随湿热循环时间增加，层合板的能量吸收率下降；当湿热循环时间和铺层类型相同，随弹体冲击速度增加，层合板的能量吸收率先增加后减小后趋于常数；当冲击速度和湿热处理时间相同，层合板的能量吸收率为[0/90]6s>[0/45/90/-45]3s>[0/30/90/-60]3s。弹体侵彻作用下层合板的失效模式有弯曲变形、纤维拔出和断裂、基体破碎、分层、剪切冲塞。当弹体冲击速度相同，[0/90]6s层合板的弯曲变形程度最大；当层合板的铺层类型相同，随弹体冲击速度增加，其弯曲变形程度先增加后减小；当弹体冲击速度远大于层合板的弹道极限，层合板发生剪切冲塞失效，弹体动能转换为冲塞动能。
最后假设纤维为线弹性体和基体是由两个Maxwell体组成的粘弹性体，依据湿热环境下CFRP的模量和强度退化模型，使用Hashin失效准则和材料刚度的指数退化规律模拟材料失效发生和演变过程，建立含损伤和湿热效应的碳纤维复合材料动态本构模型。使用VUMAT子程序定义该本构模型，并在ABAQUS软件上建立CFRP层合板的抗侵彻数值仿真模型。仿真模型计算所得三种层合板的弹道极限和实验结果相比误差均在10%以内，层合板的弹孔失效状态和背板变形特征与实验结果吻合较好。对[0/45/90/-45]3s和[0/30/90/-60]3s层合板，模型计算所得弹体剩余速度、层合板的失效特征和背面变形和实验结果相比误差较小。对[0/90]6s层合板，当弹体冲击速度远大于其弹道极限时，模型计算所得弹体剩余速度、层合板的失效特征和背面变形和实验结果相比误差较小；但当弹体的冲击速度减小，计算所得弹体剩余速度与实验结果相比误差逐渐增加。
首先通过制备[0/90]6s、[0/30/90/-60]3s和[0/45/90/-45]3sCFRP层合板，开展湿热交变循环试验，获得CFRP层合板的吸湿动力学曲线，其结果表明CFRP的吸湿过程可分为前期、中期和后期三个阶段，铺层角度未对CFRP的吸湿特性造成太大影响。使用Fick扩散模型分析湿热交变循环环境下CFRP层合板的吸湿特性，结果表明层合板吸湿速率先增加后减小最后趋于平缓，实验结果符合Fick吸湿模型。利用有限元方法获取层合板内部水份扩散规律，结果表明水份从层合板表面向内部扩散，层合板内部含水量随湿热时间的增加而增加，水份在三种层合板内部扩散过程大致相同。使用ESEM扫描电镜设备观察湿热循环环境对CFRP中碳纤维、树脂基体和纤维基体界面的影响规律，结果显示湿热交变循环处理后CFRP的碳纤维未发生变化，而纤维基体界面出现裂纹、材料表面出现孔洞。
然后对经不同程度湿热循环处理后的CFRP层合板开展侵彻实验，使用高速摄像机记录弹体冲击层合板的过程，获取弹体剩余速度、弹体冲击区域的损伤模式和层合板的整体变形失效特征。研究结果表明：当层合板的铺层类型相同，随湿热循环时间的增加，层合板的弹道极限下降；当湿热循环处理时间相同，三种层合板的弹道极限为[0/90]6s>[0/45/90/-45]3s>[0/30/90/-60]3s。当层合板的铺层类型和弹体冲击速度相同，随湿热循环时间增加，层合板的能量吸收率下降；当湿热循环时间和铺层类型相同，随弹体冲击速度增加，层合板的能量吸收率先增加后减小后趋于常数；当冲击速度和湿热处理时间相同，层合板的能量吸收率为[0/90]6s>[0/45/90/-45]3s>[0/30/90/-60]3s。弹体侵彻作用下层合板的失效模式有弯曲变形、纤维拔出和断裂、基体破碎、分层、剪切冲塞。当弹体冲击速度相同，[0/90]6s层合板的弯曲变形程度最大；当层合板的铺层类型相同，随弹体冲击速度增加，其弯曲变形程度先增加后减小；当弹体冲击速度远大于层合板的弹道极限，层合板发生剪切冲塞失效，弹体动能转换为冲塞动能。
最后假设纤维为线弹性体和基体是由两个Maxwell体组成的粘弹性体，依据湿热环境下CFRP的模量和强度退化模型，使用Hashin失效准则和材料刚度的指数退化规律模拟材料失效发生和演变过程，建立含损伤和湿热效应的碳纤维复合材料动态本构模型。使用VUMAT子程序定义该本构模型，并在ABAQUS软件上建立CFRP层合板的抗侵彻数值仿真模型。仿真模型计算所得三种层合板的弹道极限和实验结果相比误差均在10%以内，层合板的弹孔失效状态和背板变形特征与实验结果吻合较好。对[0/45/90/-45]3s和[0/30/90/-60]3s层合板，模型计算所得弹体剩余速度、层合板的失效特征和背面变形和实验结果相比误差较小。对[0/90]6s层合板，当弹体冲击速度远大于其弹道极限时，模型计算所得弹体剩余速度、层合板的失效特征和背面变形和实验结果相比误差较小；但当弹体的冲击速度减小，计算所得弹体剩余速度与实验结果相比误差逐渐增加。