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蜂窝夹芯结构凭借其比强度高,比刚度大,抗失稳能力强以及抗冲击效果好等优异性能,被广泛应用与航空航天航海领域。在常用航空复合材料中,蜂窝夹芯结构复合材料作为一种“结构型材料”,如今已经广泛应用于飞机的主承力结构及一些零部件结构。A380作为全球最大的客机,其整流罩、尾翼部分、缝翼、翼端、内饰、底板、天花板、厕所等等采用了蜂窝夹芯结构;中国C919飞机机翼及尾翼也大量采用蜂窝夹芯结构。美国康维尔公司B-58高速轰炸机80%以上面积的尾翼,补翼,扰流板采用了蜂窝夹芯材料,减重35%以上。Nomex?蜂窝具有高耐冲击、耐腐蚀和抗疲劳性能,使得Nomex蜂窝夹芯结构成为直升机螺旋桨的理想材料等等。复合材料蜂窝夹芯板的结构是由上面板和下面板,还有中间蜂窝芯层所组成。上下面板通常由碳纤维编织材料组成,中间芯层材料由Nomex纸蜂窝、铝、玻璃布等材料构成。在工程实际中,制造过程中可能出现扳手的跌落,或者设备轻微的冲击,很难直接观测蜂窝夹芯结构的内部损伤,由于复合材料蜂窝夹芯板结构的复杂性,内部损伤不易察觉,这可能会造成蜂窝夹芯板的整体承载能力的降低,所以对于夹层结构的冲击损伤,冲击能量吸收问题以及冲击破坏模式的分析都具有十分重要的意义。对于蜂窝夹层结构的力学模型研究,蜂窝芯层的模型分为两种,一种为等效模型,另一种为蜂窝夹芯板的细观力学模型。等效模型早在20世纪40年,就有很多学者提出了各种分析与计算模型,源于蜂窝正六边形由于具有良好的周期性,因此采用均匀化理论的方法,目前常用的等效模型三明治等效理论,将蜂窝正六边形等效为正交各向异性材料来计算分析;蜂窝夹芯板细观力学模型就是建立正六边形蜂窝,根据板壳理论计算分析。考虑到复合材料蜂窝板的低速冲击损伤有多种损伤模式,且在冲击过程中各种损伤模式间有相互耦合作用,对其模型连接处需简化处理。冲击压碎性能主要由蜂窝板密度,受冲击速度影响,芯的材料性质和芯的孔尺寸决定。复合材料蜂窝夹芯板在低速冲击荷载作用下,层合板的失效机理比较复杂,夹芯板的失效机理更为繁琐。首先针对蜂窝夹芯板的目视可检损伤模式,基本可以分为4类:（1）面板压痕或凹陷;（2）面板的纤维丝劈裂或开裂;（3）蜂窝芯层被压溃;（4）板面有明显凹坑或者被冲击物穿透,伴随有纤维损伤及开裂现象,蜂窝芯层压溃。低能量的冲击通常会造成复合材料层合板大面积的损伤,因此一直是国内外的研究重点。国内外的一些学者[1][2]针对复合材料失效模式判别出低速冲击的具体参数。Davies等[3]提出了一个区分低/高速冲击的分界公式,其中关于压缩失效应变的定义如下:εc=Vi/V s式中,Vi为冲击速率;Vs为声音在材料中的传播速率。当εc处于0.5%1.0%之间时,低速冲击的速度界限为1020m/s,冲击应力波影响内部结构应力分布。冲击损伤的研究方法分为塑性理论,断裂力学,失效准则,连续损伤力学法。而复合材料损伤模型一般基于两种方法,一是连续损伤力学概念,把损伤处理为材料本构关系中的内变量。在描述多相材料和一些纤维复合材料的分布微观损伤方面得到应用,另一种是应用断裂力学研究复合材料损伤,试图模拟真实断裂机制和微裂纹扩展。使用断裂力学的模型能解决的当今问题还有很多,目前应用的范围还需要进一步扩展。连续损伤力学主要研究材料或构件在各种加载条件下,其中损伤随变形而演化发展并最终导致破坏的过程中的力学规律。断裂力学中有三个最为基本的参数,应力强度因子,J积分,应变能释放率,求得各类材料的断裂韧度;确定物体在给定外力作用下是否发生断裂,即建立断裂准则。研究载荷作用过程中裂纹扩展规律。以损伤力学和断裂力学为基本理论框架,探索和寻求一个能有效表征复合材料损伤起始、扩展以及积累过程的本构模型,并通过数值模拟方法对于力学模型的损伤预测。常见的强度破坏准则有最大应力准则、最大应变准则、Hashin准则、Azzi-Tsal和Tsal-Wu等模型。复合材料的损伤模型主要是Hashin损伤模型,还有puck失效模型等,应用Hashin损伤模型可以模拟不可见的冲击损伤（BVID）,从而可以预测层合板受冲击后结构的残余损失以及冲击力的大小。复合材料的失效涉及到由材料刚度渐进退化导致的失去承载能力。用损伤力学模拟刚度退化,使用平面应力单元模拟,并考虑四种不同的失效模式,纤维拉伸开裂,纤维屈曲和压缩失效,基体拉伸和剪切开裂,基体拉伸和剪切碾压。这种情况下,新型材料的冲击行为可以有效地模拟。本文基于以上理论方法进行了复合材料蜂窝夹芯板的冲击损伤分析,论文分为五个章节,主要内容如下:第一章中,介绍了本文的研究目的,详细的讨论关于Nomex复合材料蜂窝夹层板的低速冲击损伤研究进展,国内外的研究现状。关于蜂窝夹心板冲击损伤试验的研究,对于冲击凹坑的深度的光学测量,冲击损伤参数分析,以及低速冲击损伤等效模型研究。第二章具体阐述了复合材料层合板的损伤模型,基于三明治等效理论推导了蜂窝芯层的弹性参数的推导,并且考虑了蜂窝芯层的厚壁的影响（单壁厚和双壁厚）。本文基于二维Hashin失效准则对损伤模型进行了判别分析。考虑四种不同的失效模式,纤维拉伸开裂,纤维屈曲和压缩失效,基体拉伸和剪切开裂,基体拉伸和剪切碾压。并对冲击响应的时程积分算法进行理论研究。第三章采用有限元软件ABAQUS显示建模分析方法,模拟铝蜂窝夹芯板受到刚性球体冲击的仿真过程,探讨了多种冲击速度下刚性球对蜂窝板的冲击过程,为了简化模型面板和芯层的连接处进行了简化处理。描述了在仿真分析中常使用的低速冲击载荷和冲击形式造成的损伤类型,分析了铝蜂窝夹芯板的承载特性,以及蜂窝夹芯板的变形。第四章采用有限元软件ABAQUS显示建模分析,模拟复合材料蜂窝夹芯板受到刚性球体冲击的仿真过程。对于蜂窝夹芯板建立两种仿真模型,等效模型将芯层等效为为正交各向异性材料,利用ABAQUS中的shell来分析,根据复合材料层合板理论进行损伤失效分析,基于二维Hashin失效准则对损伤模式的进行了判别分析。另外一种蜂窝细观力学模型,将蜂窝芯层看做各向同性材料,上下面板按照正交各向异性材料来分析,为了简化模型,忽略芯层和面板之间的相互关系,中间连接处采用ABAQUS连接中的“tie”相连接,基于最大应力准则和Hashin失效准则对损伤模式的进行了判别分析。第五章针对蜂窝夹芯板的参数化分析,对比分析了等效模型和蜂窝夹芯板细观力学模型的差异,蜂窝夹芯板在冲击能量为10J、15J和20J的条件下,芯层为6mm、8mm、10mm蜂窝芯夹层板,其损伤模式的仿真建模对比分析。随着冲击位置的变化面板的承载特性也不同,冲击位置分别选择在蜂窝单胞的正中心和蜂窝单胞的交界处。对比分析这三种高度在不同冲击能量下的吸能性分析,得出了面板刚度与蜂窝芯层高度依赖性的关系,其值随高度的增加承载能力逐渐增大、冲击凹坑深度随面板厚的关系等等。