与传统的二维层压复合材料相比,三维机织复合材料由于厚度方向的力学性能得到增强,具有更高的断裂韧性、疲劳寿命和抗冲击性能,在航空航天、汽车制造、防护工程等领域得到了广泛的应用。尽管目前对该材料的静力学性能已有一些研究,但对其在高速高能冲击载荷作用下的材料动态响应及损伤失效机制等尚缺乏系统深入的研究工作。本文通过材料力学性能试验、宏细观建模方法、有限元数值仿真、直线与旋转打靶试验,对三维正交机织碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的多尺度力学性能表征和冲击损伤特性进行研究。主要研究工作如下:(1)进行了双马来酰亚胺树脂和三维正交机织碳纤维树脂基复合材料的力学性能研究。针对纯树脂和复合材料,分别开展了准静态拉伸、压缩、剪切试验和动态霍普金森拉杆、压杆试验,获得了材料在不同载荷类型和不同应变率下的力学响应特性和多尺度数值仿真分析所必需的性能参数。结果表明:树脂的拉伸断口形貌有明显的分区;在动态拉伸载荷下,树脂的拉伸强度随应变率增加呈现先增大后减小的趋势;在动态压缩载荷下,树脂经历了压缩屈服、应变软化、应变强化和破裂四个阶段,随应变率增加,其屈服强度逐渐减小、极限破坏强度先增大后减小。此外,复合材料经、纬向力学性能接近;在所测的应变率范围内,经、纬向的拉伸强度随应变率增加逐渐增大,经、纬向和厚度方向的压缩强度随应变率增加先增大后减小;相较而言,三维正交机织复合材料的应变率敏感性低于纯双马来酰亚胺树脂,对于复合材料,其经、纬向的应变率敏感性低于厚度方向。(2)进行了三维正交机织复合材料的多尺度框架下的力学性能表征。采用了加入静水压力效应的Modified Bodner Partom本构模型,有效表征树脂材料在低、中、高应变率下的力学响应。基于通用单胞的方法在微观尺度上采用MAC/GMC微观力学分析工具预测单向纤维束的刚度和强度。根据纱线(经纱、纬纱和z纱)体系结构、确定纤维体积比,和周期性边界条件,建立了包含纱线和树脂基体的可以反映材料内复杂织物结构的细观尺度模型,界面采用基于内聚区模型的固连接触算法,模拟界面上的双线性牵引分离法则,并通过自顶而下的方法修正纱线中的强度。结果表明自底而上的建模方法辅之以自顶而下的失效参数的修正对于三维正交机织复合材料的力学性能表征非常有效。(3)进行了三维正交机织复合材料的宏细观建模方法研究。基于子模型分析技术的思想,在LS-DYNA中结合界面分析功能,提出了在全局模型中使用宏观尺度模型,子模型中使用细观尺度模型的宏细观建模方法,应用结果表明:基于点的界面连接方式能有效地将全局模型中界面上的解映射到子模型中去,适用于动态冲击案例。应用该建模方法到试样拉伸仿真分析中,结果显示在拉伸载荷下,细观尺度的子模型所预测的材料损伤失效模式包括基体的开裂、剥落和纱线-树脂界面脱粘等都与试验中观察到的一致。这种宏细观建模方法结合了两个尺度的模型优点,既能实现较高的计算效率,同时能精细化地表现材料的局部损伤。(4)进行了三维正交机织复合材料的直线打靶试验和旋转打靶试验,并结合宏细观建模方法研究材料的抗冲击性能。直线打靶试验中,圆柱形弹体以速度180m/s～280m/s(相当于冲击能量为320J～774J)冲击复合材料靶板,获得了弹体反弹、嵌入和贯穿靶板的不同试验结果,结合数值仿真和试验发现,当靶板未被击穿时,靶板的大变形和振动是主要的能量吸收机制,而当靶板被击穿,结构外面变形减小,局部的纤维剪切冲塞失效和拉伸断裂失效是主要的能量吸收机制。对于宏细观建模方法的应用发现,宏细观建模方法既能捕捉冲击过程中的大变形、振动等特征效应,也能预测结构中局部细观损伤失效行为。旋转打靶试验中,模拟叶片以15000r/min～25000r/min的转速(相当于冲击能量为2400J～7300J)冲击圆筒形复合材料模拟机匣,得到了包容、近临界包容和非包容的不同试验结果,发现材料吸收的能量随着叶片冲击能量的升高而升高。结合数值仿真分析,详细研究了高速旋转叶片与复合材料机匣的撞击过程,指出较小的冲击角度、机匣非对称性的整体结构响应和多撞击点的存在使得复合材料机匣中更广泛的区域可以通过变形、损伤和失效参与叶片动能的吸收。综上,本文为先进三维机织结构复合材料建立了多尺度框架下可靠的力学性能表征方法和宏细观建模方法,并深入研究了高速高能冲击载荷下的结构动态响应,从多个角度评估材料的抗冲击性能,对于三维机织复合材料应用于高性能航空发动机具有重要的意义。