纤维增强复合材料因其良好的比强度和比模量,在汽车、航空、军事等重要领域被广泛使用,这些材料在使用过程中不免会受到飞鸟、飞弹、砂砾等异物的撞击,因此有必要研究其在冲击状况下的力学性能。为了研究某物体在冲击下的力学性能,采用有限元数值仿真研究是一种简单而又方便的方法。目前而言,复合材料的静态力学仿真研究已经比较成熟,然而由于复合材料具有应变率效应,使其动态有限元仿真精度有待提高,这是因为复合材料在进行动态仿真时输入的是准静态下测得的材料参数。而在目前现有的复合材料本构模型中,考虑应变率效应的只有粘弹性模型,且该模型只能用于壳单元中,实体单元受到限制。有限元软件Abaqus在材料本构模型的二次开发方面比较占优势,有专门用于二次开发的模块,其中VUMAT子程序接口主要用于瞬态显式分析中的材料模型二次开发。在现有的研究成果中,对复合材料应变率效应的大多数探究是基于实验,而将实验结果整合成可供更多人使用的经验公式和材料模型,并将其应用于有限元软件的较少,使得现有商业有限元软件中考虑应变率的复合材料模型有限。因此需要利用编写子程序的方法,建立考虑应变率的三维复合材料本构模型,以提高复合材料动态仿真精度。基于以上论述,本文具体研究了以下内容。(1)在纤维增强复合材料本构模型中增加了应变率修正公式,使得材料参数变成了随应变率变化的动态参数。为了使复合材料在动态冲击领域的仿真模拟更为准确,需将应变率效应考虑到材料本构模型中。该模型主要包含了7种损伤准则、6个刚度退化参数、弹性模量与强度的应变率效应等。且该模型中的应变率效应不同于粘弹性模型,可用于实体单元,不同方向的弹性模量与强度值受其对应方向的应变率所影响。(2)将Abaqus 6.14、Intel Visual Fortran 2013、Microsoft Visual Studio 2013进行关联,并将第一部分提出的本构模型使用Fortran语言编译成VUMAT子程序,嵌入Abaqus软件进行程序调试和有限元仿真的试算。(3)将本文提出的材料模型应用于弹丸侵彻层合板有限元模型进行有效性验证。根据实验模型,建立弹丸侵彻复合材料层合板有限元模型,对本文提出的材料模型进行验证。结果表明,本文中建立的材料模型是有效的,其中含有应变率的本构模型的仿真结果与不含应变率的相比,同一时刻下,载荷峰值和应力值大了15%左右,同时也更接近实验值,应力曲线变化更加均匀,没有突然的跳跃。(4)研究不同侵彻速度、层合板厚度、弹丸直径下,应变率效应对仿真精度的影响。即通过有限元仿真来研究不同参数对应变率敏感程度的影响规律。研究发现,随着侵彻速度与弹丸直径的增加,应变率效应敏感性越高,本构模型中考虑应变率与否对仿真结果影响越大;相反,随着层合板厚度的增加,应变率效应敏感性越低,本构模型中考虑应变率与否对仿真结果影响越小。(5)将本文的本构模型应用于复合材料发动机罩碰撞模型,将仿真结果与实际碰撞点的头部损伤程度(HIC)进行对比,为汽车复合材料轻量化提供一定的研究基础。