近年来复合材料结构数字化设计可靠性的提升使得复合材料的应用更为先进和广泛,但是设计者对复合材料的使用仍旧持谨慎和保守态度,其优异特性并没有得到充分发挥。航空结构中复合材料强度预测仍以试验为主,这说明了目前复合材料强度理论还不够成熟,难以指导工程设计。为了对复合材料强度理论进行评估,1991年Hinton、Soden和Kaddour等在英国工程与自然科学研究委员会和机械工程师协会的支持下发起了世界范围的“复合材料破坏奥运会”(World Wide Failure Exercise,WWFE),并于2007年发起了WWFEII(the Second World Wide Failure Exercise)。WWFE和WWFEII的评估结果揭示了现有强度理论对复合材料损伤失效机理的研究还不够深入。复合材料是一种多相材料,它的刚度、强度等宏观力学性能是由细观结构和组分材料的力学性能决定的,为充分发挥复合材料的可设计性优势,从细观力学的角度来研究宏观力学性能是十分必要的。随着细观力学的发展,复合材料多尺度分析方法已成为复合材料研究的热点。本文从细观力学角度出发,提出了一种新的基于物理失效机理的复合材料细观失效准则,建立了宏观层合板结构与细观单胞模型协同分析的多尺度方法,按照WWFE和WWFEII中的定量评测点对本文提出的细观失效准则进行了评估。在此基础上,开展了复合材料开孔层合板结构和复合材料螺栓连接结构的多尺度渐进损伤数值模拟,并进行了试验验证。全文的主要内容包括:(1)总结了复合材料宏细观失效准则,对多尺度分析方法和复合材料典型元件(开孔层合板和螺栓连接件)的失效分析进展进行了综述。(2)根据组分材料纤维、基体和界面的物理失效模式,建立了一种新的细观失效准则。该准则基于Mohr-Coulomb准则并侧重考虑了压缩载荷下组分材料的损伤模式和失效机理。本文指出压缩失效时压应力会阻碍断裂面的剪切破坏;深入研究了纤维压缩失效模式,在纤维折断失效准则中引入了纤维折断破坏面上剪切强度的概念。(3)建立了宏观层合板结构与细观结构协同分析的多尺度方法,通过均匀化和局部化实现宏细观模型间的跨尺度联系,在商业有限元分析软件ABAQUS/Standard平台上建立了多尺度分析构架。通过用户自定义子程序和PDE二次开发实现了宏观尺度的有限元分析和单胞有限元模型之间的信息传递,并在有限元分析迭代过程中保证了宏细观模型的损伤都是渐进的。(4)对WWFE中所有算例进行了失效预测,按照WWFE的评定程序对本文提出的细观失效准则进行了定量评估,并与Puck、Cuntze、Tsai、Chamis、Mayes和Huang准则的预测结果进行了对比。评估结果表明在双轴载荷情况下本文提出的细观失效准则在7种失效准则中拟排名第二,同时也验证了本文提出的准则的合理性和多尺度分析方法的有效性。(5)对WWFEII中单向板算例进行了失效预测和定量评估,并与Puck、Pinho、Cuntze、Carrere、Tsai-Ha、Hansen和Huang准则的预测结果进行对比。评估结果表明在三轴载荷情况下本文提出的细观失效准则在8种失效准则中拟排名第一。研究了静水压力下材料的本构响应,得出静水压力对基体强度的影响因子仅与单轴压缩断裂角有关的结论。从细观力学角度出发,探讨了WWFEII各强度准则间的重要分歧:“失效包线是‘张开’型还是‘封闭’型”,认为复合材料在三向压应力状态下失效包线是否为“张开”和“封闭”并没有统一的标准答案,而是与复合材料的纤维体积含量、纤维和基体的力学性能、基体随静水压力力学性能的变化及基体的单轴压缩断裂角有关。(6)对某型飞机部件结构进行了元件级试验。完成了2种开孔层合板、6种复合材料单钉单剪连接的拉伸试验。(7)在多尺度分析过程中,引入细观应力放大系数,对细观模型的参考点进行失效判断后,再确定是否调用细观有限元模型,以提高分析效率。开展了开孔层合板的多尺度分析,同时考虑了细观失效模式和层合板宏观分层现象,仿真结果与开孔层合板拉伸试验吻合较好。(8)将螺栓连接件的层合板分为孔周损伤区,无损伤区和过渡区。孔边损伤区精细化划分网格,进行多尺度渐进损伤分析,无损伤区采用粗网格划分进行线弹性分析。在过渡区引入并发多尺度分析法Arlequin将损伤区和无损伤区进行耦合,通过自定义单元将Arlequin法嵌套在ABAQUS中。完成了复合材料单钉单剪连接的数值模拟,并进行了试验验证,所有连接件的预测强度与实测强度吻合良好,模拟的损伤演化过程和断裂形貌与试验结果相符。