随着科学的进步,防护结构研究正在不断革新。一方面,新型材料的出现推动了现代防护结构朝着更轻、更强、更韧等方向不断发展。另一方面,各种恐怖事件及新型武器的发展也对防护结构的安全性提出更高要求。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强复合材料广泛应用于各种抗冲击防护结构中。装载了UHMWPE防护结构的防弹车、装甲车、舰艇、飞机能够承受来自子弹、破片的高速冲击;现代士兵及警务人员所配戴的UHMWPE材质的头盔、防弹衣、防爆服等装备能够在战争及危险环境下保护生命安全;特种运载工具及人员的安全防护变得尤为重要。UHMWPE材料及复合装甲抗冲击防护机理较为复杂,对其冲击载荷下的材料动态力学行为、复合结构破坏机理、多种材料间相互作用关系开展深入研究依然是当前防护工程领域关注的重点。本文围绕UHMWPE及复合装甲抗冲击性能展开了研究。通过动态冲击试验测试复合装甲的抗冲击性能,研究不同材料间相互作用及破坏机理。通过数值模拟分析瞬态过程中防护结构的冲击响应。研究UHMWPE及复合装甲抗弹性能的二次连续撞击、表面约束效应、不确定性及可靠性、层厚渐变式多层结构、仿生结构及其抗连续冲击性能等问题,具体包括以下几个方面:(1)对螺栓连接UHMWPE层合板的二次撞击问题进行了研究。通过一级轻气炮对螺栓连接UHMWPE层合板进行高速斜侵彻及二次碎片撞击试验。自制测速探针并通过高速摄影捕捉了侵彻射弹姿态。实验结果表明,冲击载荷下螺栓连接超高分子量聚乙烯板依次经历鼓包变形阶段和螺栓孔承载变形阶段。当射弹具有一定位置偏移量及倾斜角的情况下,四个螺栓孔的变形响应不同。射弹侵彻靶板后,螺栓孔的变形响应对二次撞击参数较为敏感。在第一次侵彻试验结果的基础上,采用有限元法建立了螺栓连接超高分子量聚乙烯板的数值模型,并对螺栓孔的变形响应进行了分析。研究了二次非贯穿撞击参数的识别方法。(2)对拼接碳化硅陶瓷/UHMWPE复合装甲表面约束效应进行了研究。通过枪弹试验测试了机织布、UHMWPE层合板、6061-T6铝合金、TC4钛合金四种不同材料面板覆盖下复合装甲的抗冲击性能。建立了复合装甲弹靶冲击有限元模型,并通过试验验证了数值模型的准确性。探讨了约束条件对拼接陶瓷装甲抗弹性能的影响。自由表面的陶瓷块在子弹冲击下更早发生界面击溃,导致子弹在入侵陶瓷块前的“停留”阶段时间较短,而径向约束有助于提升陶瓷块的抗弹性能。拼接陶瓷装甲的抗弹性能随打击位置不同呈现非均匀性,并具有明显的边界效应。子弹打击位置越接近粘接界面时,子弹穿靶后剩余速度越低。相同面密度下不同材料面板的表面约束条件不同,粘接界面附近的抗弹性能随着面板材料表面约束作用的增强而提高。(3)对碳化硅陶瓷/UHMWPE复合装甲弹道可靠性进行研究。利用枪弹试验及数值模拟方法研究了复合装甲抗弹不确定性问题。在极限侵彻状态下,对拼接SiC陶瓷/超高分子量聚乙烯复合装甲抗弹性能进行了测试。在子弹初始速度为776m/s和791m/s时,由于材料和粘接性能的不确定性,导致靶板呈现完全穿透和部分穿透的情况。此外,在试验中观察到冲击后UHMWPE背板的鼓包变形与最小剩余厚度呈现相反的趋势。建立了子弹冲击陶瓷/UHMWPE复合装甲有限元模型,并通过试验验证了模型的准确性。为了评估材料参数的不确定性,建立了包含冲击响应的侵彻状态函数,并对不确定性材料参数进行了灵敏度分析。然后,对复合装甲的弹道可靠性进行了研究。最后,通过粘接强度来调节侵彻状态函数与背板变形量间的矛盾关系。建立了可靠性约束优化问题,在不降低可靠性的情况下可实现UHMWPE背板最小形变。(4)在生物梯度结构及多层结构灵感启发的基础上,研究了层厚渐变式多层结构抗冲击性能。以钢-橡胶多层结构为例,通过数值模拟分析了多层结参数对抗侵彻及抗爆炸性能的影响。研究结果表明由两种材料组成的多层结构的力学特性与多层厚度的梯度有关。通过数值模型研究了厚度及位置参数变化对抗侵彻及抗爆炸性能的影响。分别建立了多层结构抗侵彻及抗爆炸的优化模型,以零梯度结构为初始值通过优化得到了具有明显梯度效应的多层结构。结果表明,钢板由厚到薄、橡胶由薄到厚的梯度有利于提升多层结构的抗冲击韧性。钢板由薄到厚、橡胶由薄到厚的梯度有利于多层结构的吸能。钢板由厚到薄再到厚、橡胶由薄到厚的梯度结构能够兼顾抗侵彻及抗爆炸性能的要求。(5)在鳞脚腹足类壳多层结构防护机制的基础上,提出了材料特性比例及尺寸比例均与生物结构接近的仿生结构。建立了仿生结构-明胶抗子弹冲击及抗爆炸有限元模型。研究了单次子弹冲击、单次爆炸冲击、连续子弹冲击及殉爆下仿生结构的变形、损伤及明胶球内的应力叠加规律,通过明胶球入侵深度及应力峰值评估了爆炸冲击载荷下的头部损伤。研究了不同质量约束下,仿生结构抗多次子弹冲击及抗殉爆优化问题。经过优化的仿生结构能够兼具抗多次连续子弹冲击及抗殉爆的性能。