航空武器在现代战争中的作用逐渐变得不可替代,但是随着各国地面防空力量不断增强,在受到地面火力威胁时如何提高军机的生存力,已经成为飞机设计部门普遍关心的问题。为了使飞行安全得到保障,飞机一定要保持良好的结构完整性,在受到攻击后主承力结构与易爆部位应该具有足够的抗冲击性能,以防止灾难的发生。轻量化的装甲系统可以有效的提高军机的抗攻击能力及战场生存力,采用轻质复合装甲已成为防弹装甲系统的主要发展趋势。用于航空结构的装甲材料要求具有很高的抗冲击性能,传统的单一材料装甲已不能胜任。本文围绕航空局部结构的高抗冲击性需求,以复合装甲结构的冲击动力学数值计算为基础,在高速撞击和爆轰波冲击两种典型载荷工况下,设计了一种陶瓷/碳纤维/高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合装甲结构,利用陶瓷作为吸收和耗散弹体能量的功能层,碳纤维作为承力结构层并对陶瓷面板提供支撑,高分子量聚乙烯作为韧性层,利用大变形吸收弹体的剩余冲击能。这种复合形式不但能有效的提高抗冲击性能,并且在较小的重量代价条件下达到结构/功能一体化的设计要求,为航空结构的高生存力设计与仿真提供了设计技术支持。本文的研究内容主要包括:1)阐明了靶板高速撞击动力学问题有限元数值计算的一般计算格式。针对弹丸对陶瓷面板复合装甲的冲击过程,通过高速撞击动力学原理的理论研究,细致总结了求解该类问题的理论方法,为下文多层复合靶板的高抗侵彻设计和分析做好理论准备。2)基于聚合物分子链网络模型开发了针对UHMWPE材料的本构关系模型子程序,提高了通用软件对于该类材料分析的适用性。根据理论分析和文中三种靶板材料的力学特性,总结了描述这些材料的本构关系方程、损伤模型和状态方程,并根据试验工作和文献给出了这些材料的本构模型参数。3)初步设计了陶瓷面板复合装甲构型,并通过弹道试验,验证了各种构型的弹道极限速度和抗冲击性能。同时,根据冲击动力学的原理和数值计算方法,在本构关系模型和数据的基础上,建立了复合装甲撞击分析的有限元模型,对弹道试验进行了仿真,与试验结果的对比显示了较好的一致性。此模型适用于多层结构装甲构型的高速撞击,在满足计算精度的前提下保证了计算效率,为进一步的靶板构型优化工作奠定了基础。4)采用两种方式对靶板结构进行爆轰波载荷下的响应模拟,取得了良好的效果。针对常规武器对航空结构的另一种威胁载荷-爆轰波载荷,论文从爆轰波的基础理论出发,给出了该类载荷的描述方法和结构响应特性,并根据爆轰波数值计算中常用的状态方程法和等效压力法,建立了描述爆轰过程的有限元模型,通过数值模拟给出了靶板结构在爆轰载荷作用下的响应情况,对比了两种载荷作用方式的靶板结构响应时间历程,采用算例相互验证了两种方法的准确性,可以作为高爆弹数值模拟的基础。5)确立了多层结构获得最佳抗侵彻性能的铺层顺序条件,并由此完成了铺层顺序优化分析,提高了靶板构型优化的计算效率。通过对多层复合装甲在冲击载荷作用下的运动历程结构响应的分析,给出其弹道性能的求解方法,并在给定面密度的条件下,以弹道极限速度为目标函数进行多层复合装甲的铺层优化分析,给出最优铺层顺序的优化设计结果,通过算例验证了最优铺层顺序分析结论,此方法为多层复合装甲结构的优化设计最大限度的减小了计算量。6)改进了装甲结构的铺层厚度优化过程。引入基于元模型的优化方法,利用复合装甲的参数化有限元模型,在相同铺层顺序的条件下对装甲构型进行了铺层厚度优化,最终确定了能够承受高速撞击载荷和爆轰载荷、并且面密度最小的组合构型,完成了具备高抗侵彻能力的航空装甲结构设计。在承受相同弹丸侵彻条件下,相较传统装甲钢材料,面密度降低超过40%。本文以复合装甲结构为研究对象,采用冲击动力学的方法,针对结构在弹丸撞击和爆轰波冲击两种载荷下的响应进行了仿真分析研究,总结了复合靶板结构的工程分析方法,设计了一种高抗侵彻和抗爆轰的靶板构型,为该类结构提高抗冲击性设计和改进提供支持。