纤维增强复合材料因其高强度、耐腐蚀、可设计性等优点,以复合材料层合板、夹芯板和加筋板等形式被应用在飞机结构中,起主承力和吸能防护等作用。在飞机结构的服役过程中,复合材料会受到碎石、冰雹、鸟体等冲击荷载的作用,导致材料发生损伤破坏,影响结构的承载能力。因此,纤维增强复合材料在动力荷载下的损伤破坏行为,受到人们的密切关注。本文通过研究纤维增强复合材料的静、动力学行为,建立了碳纤维增强树脂基复合材料的非线性动力本构方程,并基于试验与数值模拟,揭示了复合材料结构在冲击荷载作用下的损伤破坏规律。主要研究内容归纳如下:(1)纤维增强复合材料的准静态和动态力学行为的研究。对经过铺层设计的复合材料层合板试件进行了不同应变率下的拉伸与压缩试验,得到了材料各方向上的应力应变关系,并使用动态数字图像相关技术,得到了不同铺层的试件在单轴荷载下的应变分布与破坏过程。试验结果表明,碳纤维增强聚合物复合材料在沿纤维方向的拉伸、压缩以及垂直于纤维方向的拉伸应力应变关系呈线弹性;在垂直于纤维方向压缩以及面内剪切方向则表现出非线性。材料的模量和强度都随着应变率的升高而增大,但破坏应变几乎不受应变率的影响。(2)基于试验结果,建立纤维增强复合材料的非线性动力本构模型。考虑到模型在实际工程问题中的应用情况,分别建立了平面应力状态和三维应力状态下的本构模型。通过材料的加卸载试验,将材料的非线性行为归因于损伤发展导致的刚度折减。为了描述损伤,引入了垂直于纤维方向和面内剪切方向的两个损伤因子,发现在单轴压缩荷载作用下基体压缩损伤因子与轴向应变呈二次函数关系,而在剪切荷载下剪切损伤和剪切应变呈指数函数关系。这两个函数关系中的参数都不随应变率的变化而变化,说明材料的损伤过程和应变率效应相互独立。(3)提出了基于横观各向同性应变不变量的损伤起始判据和破坏准则。在三维应力状态下的本构模型中,将纤维增强复合材料视为横观各向同性材料。基于横观各向同性假设,认为当参考坐标系绕弹性对称轴转动时,材料的损伤和破坏状态应该为不变量。同时,在复合材料的静、动力学行为的研究中发现,材料的损伤起始应变和破坏应变都不会随应变率的变化而变化。结合以上假设和试验现象,将损伤判据和破坏准则表达为横观各向同性一阶和二阶应变不变量的函数。利用Abaqus用户子程序VUMAT,将包含破坏准则的非线性动力本构模型写入有限元软件中,并通过准静态和动态试验的数值模拟,验证了本构模型的有效性。(4)复合材料层合板及夹芯结构的低速冲击损伤与破坏行为研究。对复合材料层合板和复合材料泡沫夹芯板进行了落锤冲击试验,通过超声C扫描,获得了结构内部的分层损伤区域。试验结果显示,层合板在低速冲击下的分层损伤呈两个三角形,对称地分布在冲击点两侧。分层损伤的区域与相邻两子层的铺层角度相关。根据分层损伤的规律,提出了预测分层位置与形状的方法,为层合板的铺层优化设计提供了参考。泡沫夹芯板在受到低速冲击时上面板的分层损伤与层合板的规律一致,随着冲击能量的提高和泡沫密度的增大,损伤面积逐渐变大,而当上面板发生穿透时,分层损伤受到纤维破坏的影响,损伤面积将不再增加。上面板被穿透后,夹芯板的破坏区域被区分为压溃区和断裂区,不同区域的破坏模式不同。使用纤维增强复合材料的非线性动力本构模拟复合材料层合板和夹芯板在低速冲击下的损伤破坏行为。由于冲击速度较低,材料的应变率效应并不明显,因此将本构模型退化为应变率无关的形式,只考虑材料的非线性及损伤破坏行为。模拟结果完整地呈现了层合结构的损伤破坏形式,计算得到的破坏形貌与试验结果吻合,验证了本构模型在模拟低速冲击损伤破坏行为的有效性。(5)复合材料机翼结构的鸟撞冲击损伤与破坏研究。对机翼前缘结构进行不同速度的鸟撞试验,使用高速摄影机捕捉了撞击中鸟体和结构的变形过程,并采用三维动态数字图像相关技术,得到了鸟撞点附近结构的位移场和应变场分布。运用复合材料的非线性动力本构模型,建立了机翼前缘结构的鸟撞计算有限元模型。计算得到的结构位移、变形过程和损伤破坏情况都与试验结果吻合。同时,对比了复合材料的非线性动力本构模型和传统本构模型的计算结果,体现了非线性动力本构在模拟高速冲击作用下材料力学行为的优越性。本文基于纤维增强复合材料的准静态、动态力学行为,建立了材料的非线性动力本构模型,并将模型应用于复合材料层合结构的低速冲击计算和鸟撞计算,揭示了碳纤维增强树脂基复合材料在冲击荷载下的损伤破坏行为特征,为复合材料结构优化设计和抗冲击性能校核提供了依据。