复合材料具有比强度高、比刚度高、可设计性强、抗疲劳性能好等优点,广泛应用于航空航天技术、海洋工程、武器装备技术、民用建筑、交通运输和日常生活等领域。但是,复合材料在制备、使用和维修过程中,经常会受到各种外来物的低能量冲击而导致损伤,这类撞击所形成的表面凹坑的深度通常小于0.5mm,目视很难发现;但是复合材料内部发生纤维压缩、纤维断裂、基体压缩、基体开裂等层内损伤和层间分层损伤,使得复合材料的力学性能显著下降,导致结构承载能力明显下降,严重影响飞行安全。本文针对航空复合材料层合板、复合材料泡沫夹芯结构开展了低能量冲击试验、剩余压缩强度试验和数值研究。本文主要研究内容包括:(1)复合材料层合板低能量冲击试验研究。以冲击能量、冲头形状、铺层角度为变量,对四种典型铺层结构共64个试件进行低能量冲击,得到了不同冲击速度下冲击力时程曲线、位移时程曲线、应变时程曲线、冲击力位移曲线等,研究不同变量对复合材料层合板的低能量冲击损伤及结构动力响应的影响。(2)复合材料层合板低能量冲击损伤阻抗和损伤容限试验研究。以凹坑深度和分层损伤面积作为损伤阻抗,采用接触式深度测量方法测量凹坑深度,研究了冲击能量-凹坑深度、冲头形状-凹坑深度等关系;采用超声波C扫描对分层损伤面积进行无损检测;利用MATLAB代码编程,通过Image-pro plus6.0像素处理法获得更加精确的分层损伤面积。以剩余压缩强度表征损伤容限,研究不同冲击能量、不同冲头形状与不同铺层结构层合板等因素对损伤容限的影响。(3)复合材料层合板低能量冲击损伤数值模拟。结果表明,分层损伤长轴与下层铺层方向相关;相同铺层两层间不会发生分层损伤;上下两层基体长轴的夹角越大,分层损伤面积越大。在结构最外两层布置±45°铺层可以明显提高抗冲击性能,在结构的最外两层布置45°/0°或-45°/0°可以提高压缩强度。(4)复合材料泡沫夹芯板低能量冲击试验研究。以冲击能量、泡沫夹芯类型、冲头种类为变量,对不同面板和不同夹芯组成的泡沫夹芯板11组试件进行低能量冲击试验研究,得到了冲击力时程曲线、冲头位移时程曲线、冲击力-位移曲线、应变时程曲线、下面板位移时程曲线、泡沫夹芯压缩量等,研究不同变量对复合材料泡沫夹芯板的低能量冲击损伤及结构动力响应的影响。(5)复合材料泡沫夹芯板低能量冲击数值模拟。通过建立泡沫夹芯板低能量冲击有限元模型,采用Hashin失效准则,引入粘结接触模型,以试验结果为基础,通过对比101-16mm-7J、201-16mm-17J两个试件的冲击力时程曲线、冲击力-位移曲线,验证模型准确性,得到了上下面板的最终破坏模式。(6)航空复合材料典型结构低能量冲击损伤及剩余强度分析。以12.7mm冲头、8.1J冲击能量模拟工具坠落工况,对于某型号无人机泡沫夹层结构方向舵和副翼上面板进行低能量冲击与冲击后剩余强度计算,得到了泡沫夹层结构低能量冲击后面板各子层的损伤情况、芯材破坏情况、剩余压缩强度等。