纤维增强复合材料由于质量轻,强度高且具有优异的综合力学性能及抗冲击性能等优点,在航空航天、轨道交通、防护装甲等领域得到了广泛应用。本文选取被用于防护装甲设计且对应变率敏感的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维和芳纶（Kevlar）纤维作为研究对象。利用结构仿生学的思想,通过研究自然界中螳螂虾螯棒和贝壳类生物等力学性能优异的生物组织结构,并将这些结构运用到纤维增强复合材料的成型设计上。同时开展了结构仿生纤维增强复合材料的动态力学性能试验及破片侵彻不同仿生结构纤维增强复合材料的弹道性能试验,最后利用有限元模拟分析结构仿生纤维增强复合材料的高速抗冲击性能并预测损伤情况,主要的研究内容及结论如下:根据仿生设计原理,借助螳螂虾螯棒内周期区的螺旋结构与贝壳类生物组织的梯度结构分别应用于纤维增强复合材料的成型制造中,设计制备螺旋铺排与梯度混杂铺排两种不同结构的仿生纤维增强层合板并进行动态拉伸、动态压缩、动态剪切力学性能试验,并对其损伤破坏形貌进行了分析,结果表明:UHMWPE纤维与Kevlar纤维都是应变率敏感材料,其峰值应力随着应变率的增加而增加。螺旋结构与梯度结构对材料的力学性能会产生显著影响,其中梯度混杂结构试样的拉伸强度一般都会高于单一组分材料试样,并随着UHMWPE纤维层数增加而增加,而在压缩性能上会略微下降。螺旋结构试样的拉伸强度会略低于正交结构试样,但在压缩和剪切强度上高于正交结构试样,并随螺旋铺排角度的降低而提高。同时通过损伤形貌分析发现试样在受到高速冲击载荷时,纤维主要发生基体挤裂、纤维断裂及纤维分层等破坏形式。在螳螂虾螯棒内螺旋结构的灵感启发下,研究了仿生螺旋结构UHMWPE纤维与Kevlar纤维靶板的抗侵彻性能,进行了高速破片侵彻试验。试验结果表明,正交结构的靶板具有最高的弹道极限性能,相比于仿生螺旋结构的靶板弹道极限性能高出10.2%-16.2%。而螺旋结构的靶板相较与正交结构的靶板在侵彻时可以将冲击力均匀的传递至各个纤维方向,吸收扩散破片造成的冲击力,使损伤的发生和裂纹的扩展更加困难,进而减小靶板的损伤形变,相比于正交结构靶板降低48%-61%的损伤形变。在贝壳类生物内梯度结构的灵感启发下,研究了不同混杂比例的UHMWPE纤维与Kevlar纤维梯度结构混杂靶板的抗侵彻性能,对于弹道侵彻试验后的结果分析可知,混杂结构的靶板弹道极限性能随着UHMWPE纤维比例的提高而提高,当K:U为1:2时,靶板具有最高的弹道极限性能,其损伤变形也更为严重,Kevlar纤维在减小损伤变形的同时也会降低弹道极限性能。同时研究了在相同混杂比例下,不同的侵彻面对混杂复合材料靶板的防弹机制及弹道极限性能的影响。利用ABAQUS有限元分析软件和VUMAT材料用户子程序建立结构仿生复合材料靶板的动态侵彻有限元模型,并引入Cohesive界面单元模拟靶板在弹道侵彻过程中的层间分层现象,结合三维Hashin失效准则,模拟了复合材料层合板高速冲击损伤破坏过程,并利用数值分析深入探讨了不同结构之间的相互协同效应及其对弹道性能和损伤特性的影响规律。有限元模拟结果与侵彻试验结果吻合较好,为新型结构防护装甲的设计与应用提供了参考价值。