某类流体动力学实验需要在某型爆炸容器中开展,实验过程中将产生大量高速小质量破片,对爆炸容器壁上开设的X闪光测试窗口造成极大的威胁,需设置窗口防护结构以保证实验安全。现有的窗口防护结构是多层间隔铝板,该结构能有效防护破片的侵彻,但其面密度较高对X闪光测试成像精度影响较大。因此,需设计新的窗口防护结构以满足实验安全需要和物理测试要求。本文在现有窗口防护结构的基础上,引入了超高模聚乙烯纤维材料,组成铝/纤维层状复合防护结构,并针对其抗侵彻特性开展了实验和数值模拟研究。首先,通过二级轻气炮加载技术,开展了3种结构(多层间隔铝板、多层间隔纤维板、多层间隔铝/纤维板)抗钨合金球形破片高速侵彻的实验研究;并对比了各工况下,各层靶板的开孔直径、靶板结构的侵彻深度、靶板结构的面密度吸能,总结得出:在多层间隔铝板结构中引入超高模聚乙烯纤维板,能满足窗口防护的安全要求,同时多层间隔铝/纤维板结构的面密度(67.3 kg/m2)仅为多层间隔铝板结构面密度(129.6 kg/m2)的一半。然后,根据2024铝合金、93钨合金和Dyneema(?)HB26超高模聚乙烯纤维的材料特性,选用了相对应的材料本构模型;通过ANSYS/LS-DYNA软件建立了破片高速侵彻层状复合防护结构的数值模型,并进行了计算;将模拟结果与实验结果进行对比分析,验证了数值模型的准确性。其次,开展了 3种破片形状(球形、立方体形、圆柱形)对层状复合防护结构抗侵彻特性影响的数值模拟研究。通过对比多层叠合式、间隔式铝板的侵彻深度,总结得出在高速正侵彻条件下:球形破片侵彻能力最强、立方体破片次之、圆柱形破片最弱;叠合式靶板侵彻深度低于间隔式靶板。最后,进行了靶板构型(靶板层间距、靶板分层数、靶板排序)对层状复合防护结构抗侵彻特性影响的数值模拟研究。结果表明,在球形破片高速正侵彻条件下:随着层间距的增大,结构抗侵彻深度缓慢增大并趋于一稳定值;在总厚度不变的情况下,靶板分层数越多,结构抗侵彻性能越弱;复合靶板结构设计中,应将抗压缩性能好的材料置于前部,抗拉伸性能好的材料置于背部。