与金属梁结构在局部冲击载荷下形成的两个动态塑性铰链不同，复合材料层合板受冲击后无塑性变形发生。层合板的横向变形是在弯曲波的驱动下发生的，这种随着弯曲波传播而发生的横向变形过程在一定冲击强度下与塑性铰的运动形式基本相似[12]。然而，无塑性变形的碳纤维层合板的冲击响应也必然与金属梁的响应存在不同。

泡沫弹加载形成的初始冲量为${I_0}=m{v_0}$，其中m为泡沫弹质量，v0为弹体初始速度。本研究采用量纲一冲量$\overline I={10^3}I={10^3}{I_0}/L\sqrt {\rho \sigma } $，其中ρ和σ分别为层合板的密度与拉伸强度，L为梁的半跨长度。碳纤维增强层合板由于无剩余变形，结构在冲击变形过程中的横向变形是评估其抗冲击性能的重要参数。

在金属铝泡沫弹的局部冲击载荷加载下，CFRP/Epoxy层合板随着冲击强度的变化会发生一系列的变形和失效。由于边界简支，层合板梁的中心加载区域受到由弯曲/拉伸导致的最大应力。柱形泡沫弹在与层合板梁接触的边缘由于入射压缩应力波和弯曲波的作用会形成局部褶皱和横向变形。压缩应力波经由层合板背面反射形成拉伸波，当拉伸波强度足够大时，层合板出现纤维与基体之间的层裂。在足够大的初始冲击强度下，随着横向变形和轴向拉伸的增加，层合板发生基体和纤维的断裂失效。

以初始冲击速度为138.8 m/s、量纲一冲量为0.67的泡沫铝弹体的冲击加载为例，图2展示了泡沫弹加载过程中层合板梁结构的动态变形和失效过程。整个变形过程可以分为两个典型阶段：(1)由中心局部加载形成的弯曲波向两端传播，直至到达端点处；(2)层合板在拉伸/弯曲下开始发生结构整体变形。这与金属梁受局部载荷作用的典型响应阶段相同。包括后续脱离靶架的运动过程，整个响应阶段的持续时间大约为2.00 ms。由图2可见，弯曲波在0.30 ms达到两端后，层合板的变形轮廓在弹体两侧呈直线，直到0.80 ms后脱离靶架。这种直线的变形在固定端约束的情况下，使得层合板在中心弹体加载位置发生明显的对折现象，进而导致基体和纤维拉伸断裂的发生。在1.26 ms，层合板已发生明显的对中折断。

层合板在变形过程中的变形呈较好的对称性，以下半跨长度为L的层合板上不同位置点随时间变化绘制层合板变形轮廓时程曲线，如图3(a)所示。可以清晰地看到冲击载荷作用下随着弯曲波的运动，层合板从局部变形到结构整体变形的过程。结合图2可以发现，由于层合板梁变形轮廓呈近似直线，在弹体装置位置未与弹体头部完全贴合时，整个变形在弯曲波到达左侧端点后开始以中点和端点两点为“铰”，发生轴向拉伸，最终发生对折失效。图3(b)所示的中点随时间的变形过程中可见在0.47 ms前是线性增长，在0.47 ms后由于固支端的作用，曲线斜率有所下降，直至0.68 ms开始逐步脱离夹具，随弹体向靶舱壁运动。

图4为上述泡沫弹撞击下碳纤维/环氧树脂层合板梁的失效模式。层合板从中间断裂为两等分的同时，可以看到在中心撞击位置处层合板发生了明显的沿厚度方向的压缩失效。与此同时，泡沫弹撞击端也有一定的压缩发生。而泡沫弹端部的严重不对称压缩的主要原因是加载过程中弹体的轻微偏转以及以此姿态发生的与靶舱缓冲垫的二次撞击，如图2所示。从图4（c）所示的齐整断裂面可以看到明显的基体和纤维脆性断裂、层裂、基体裂纹和纤维拨出等失效模式，并且在加载区域两侧，由于层合板的弯曲，也出现了明显的层裂失效。

为了研究不同加载强度对层合板动态响应过程和抗冲击性能的影响，本研究开展了另外4组不同初始冲击强度加载的实验研究。泡沫弹体质量基本相同，冲击初始速度和量纲一加载强度如上所述。图5为不同初始冲击强度下层合板梁的动态变形和失效过程，呈现出明显不同的变形机制：低于中等冲击强度（v0 = 138.8 m/s）加载时，层合板梁的变形以结构整体的横向变形为主；高于中等冲击强度时，层合板的变形出现明显的局部化，并且局部化区域随着加载强度的增加而减小。出现这种局部化效应的主要原因可以归结为在强冲击载荷作用下碳纤维层合板的横向变形速度大于弯曲波在层合板中沿径向的传播速度。在较低冲击强度加载下，层合板随着整体变形的进行，在泡沫弹作用下呈现明显的平台，如图5（a）中0.43 ms图像，并随着变形的持续增加，最终呈整体圆拱状。强冲击作用下，层合板在发生局部明显横向变形的初始时刻便发生了明显的基体和纤维断裂等失效，尤其当弹体冲击速度为204.2 m/s时，在0.33 ms时便出现清晰的纤维基体破碎，在0.73 ms时基本完全失效。

图6（a）对比了最低和最高两种冲击强度下的变形轮廓线随时间变化关系，显示了明显的变形局部化的特点。当弹体以204.2 m/s速度冲击时，层合板两侧部分始终沿着径向滑移，未发生横向变形；在距离中点20～50 mm段的变形较小；在靠近中心的40 mm段则发生急剧的变形增长。低速冲击时，在0.13 ms之后，结构发生整体变形。取不同冲击强度下层合板的中点变形，得到如图6（b）所示的时程曲线。随着结构变形的增加，最终靶板脱离夹具，继续以一定的动能运动（见图5，以空心点的形式表示）。随着冲击强度的增加，曲线斜率明显增加，中点响应速度增加而靶板脱离夹具的时间减小。这种冲击强度的影响在冲击速度为50.1～138.8 m/s时明显地大于冲击速度为138.8～204.2 m/s。当冲击强度较小时，结构整体响应时间长，并在停止前发生了较明显的变形恢复阶段。当冲击强度增加时，随着响应速度的增加和局部化失效的发生，层合板的最大变形在138.8 m/s时达到最大的67.2 mm后开始降低。

当弹体冲击速度小于138.8 m/s时，层合板主要发生弹性变形，在层合板表面无明显失效发生。在弹体冲击速度达到或超过138.8 m/s时，层合板随冲击强度的增加，发生折断失效。速度到达204.2 m/s时层合板完全破碎，如图7所示。

由获得的动态变形过程中的图像可以发现，泡沫弹在与层合板撞击过程中的变形较小，其主要变形发生在与靶舱的二次碰撞。因此，本研究忽略泡沫弹的变形吸能。层合板在泡沫弹冲击加载下的能量耗散方式主要有结构变形和层合板失效两种。层合板的耗能Ed可以通过弹体初始动能E0和靶板与弹体脱离夹具时获得的剩余动能Er之差来获取。在实验过程中，靶板在拔出之前与固支部分及夹具发生摩擦，但是由于作用时间短，做功相较于前后动能很小，本研究将此忽略。在弹体冲击下，靶板和弹体同步向初始速度方向运动，在不考虑靶板速度沿跨长分布的情况下，假定在脱离靶板后，层合板和泡沫弹以相同速度向前运动。因此，$ {E\rm _d} = {E_{0}} - {E\rm _r}$。其中剩余能量$ {{E}\rm _{r}}=(1/2)\;{{m}\rm _{t}}v\rm _{r}^{2}$，$ m\rm _t$和$ v\rm _r$是靶板和弹体的总质量和共同速度。而碳纤维层合板材料的能量耗散比可记为$ {\rm SEA}=E\rm _{d}/{\rho }\;$。如图7所示，层合板能量耗散比随初始冲击强度增加呈上升趋势，并呈现出明显的3个阶段，表现出与层合板失效模式的直接对应关系。在低速撞击情况下，层合板发生以弹性变形为主的失效，能量耗散比上升较快；随着中心折断失效的发生，能量耗散伴随着更大面积的基体和纤维断裂而有所增加，但增加幅度明显降低；在最大冲击强度下，层合板整体在初始撞击时刻便发生严重的大面积失效，致使能量耗散有了明显的增加。