随着轻量化和低成本的需求,连续纤维增强复合材料由于具有高比模量、高比强度、耐疲劳和可设计性强等优势,在航天运载器中的应用比例逐步提升。由于低温推进剂贮箱在航天运载器推进系统中所占重量和体积的比例最大,发展无内衬复合材料贮箱结构)成为箭体结构轻量化的重要方向。由于贮箱结构服役时处于低温工作环境,复合材料组分相在热载荷作用下会因为热不匹配性而产生微观应力,引发基体开裂和纤维/基体界面脱粘等失效模式,共同诱发贯穿复合材料缠绕层的微裂纹,导致推进剂介质泄漏。因此,开展考虑纤维/基体界面相的低温复合材料结构多尺度失效分析,对无内衬复合材料贮箱轻量化设计具有重要意义。本文首先基于六边形纤维-基体代表体积元模型,提出了考虑基体就位效应的微观基体失效准则,实现了复合材料基体开裂的准确预测。进而,以复合材料结构制造中常用的T700/TDE-86复合材料体系为例,在低温下对复合材料及组分相力学性能进行试验测试,观测组分材料在低温下的失效形式,并对组分材料的温度相关性进行研究;该部分低温试验研究为考虑界面相的低温复合材料多尺度失效分析提供了材料属性输入数据和验证模型。然后,建立了相邻纤维裂纹扩展代表体积元,通过构造组分材料统计分布特征与复合材料单向板拉伸断裂形貌之间的联系,提出了一种基于裂纹扩展模型的低温界面剪切强度测定方法,实现了低温下纤维/基体界面剪切强度的测定。最后,建立了纤维-基体-界面三相代表体积元模型,发展了组分材料微观失效准则和材料力学性能退化模型,提出了考虑纤维/基体界面的低温复合材料结构多尺度渐进损伤分析方法。本文主要研究内容如下:（1）考虑了纤维的介入导致树脂基体在垂直纤维方向上的不连续性,通过计算六边形代表体积元在拉伸、压缩和剪切载荷下基体开裂角度,确定了基体应力集中系数,建立了考虑基体就位效应的微观最大应力准则。在复合材料层合板横向拉伸和双轴拉伸的强度预测上,相比于常用其他宏观和微观强度准则,本文建立的准则具有更高的预测精度。（2）针对复合材料结构制造中常用的T700/TDE-86复合材料体系,开展复合材料及其组分材料的低温力学试验研究。基于扫描电镜观测图像,对其微观几何结构的表征方法进行了研究,采用可训练的Weka灰度分割算法对纤维体积分数进行了计算,并采用能谱仪功能对纤维/基体界面附近的元素含量进行了测量,以此获取了纤维/基体界面的厚度。基于复合材料及其组分相的试验标准,考虑贮箱工作的环境温度,在300K、248K、198K、173K和77K五个温度下,开展了树脂材料及典型复合材料0°、±45°和90°层合板的低温力学试验,对低温力学性能及强度分布规律进行研究,并通过观测断口形貌对层板失效机制进行研究。（3）考虑组分材料的统计分布特征,构建了相邻纤维裂纹扩展代表体积元,建立了一个微观裂纹扩展（Microscopic Crack Propagation,MCP）模型对纤维/基体界面附近的裂纹扩展行为进行模拟。同时,采用图像识别技术和灰度值分析手段对复合材料单向板断裂面的扫描电镜图像进行处理,以断裂面中不同裂纹扩展模式的概率表征断裂面形貌。通过构造组分材料统计分布特征与复合材料单向板拉伸断裂形貌之间的联系,提出了裂纹扩展模型的低温界面剪切强度测定方法,与低温下微滴脱粘和电阻碎裂试验结果相比,具有良好的预测精度。（4）根据界面相几何特征和力学性能的测试结果,建立纤维-基体-界面三相代表体积元模型,构建了宏观应力与微观应力间的映射关系,发展了微观失效准则、宏观刚度退化模型,在考虑组分材料强度随机性的影响下,提出了考虑纤维/基体界面的低温复合材料多尺度渐进损伤分析方法。与低温典型层板试验结果相比,该方法具有良好的预测精度。基于该方法,构建了宏-微观应力映射关系,进一步提出了复合材料结构低温服役环境许用值确定方法。