随着复合材料力学与损伤理论、制备工艺、试验方法和数值计算模型的发展与完善,复合材料在工程机械结构或仿生结构中得到了广泛的应用。为了满足复杂的工况和多样的载荷条件,对复合材料的力学性能与损伤机理的研究越来越要求精细化。卷曲或螺旋纤维因其特殊的结构形态和分布特性使得以其为增强相的复合材料在拉伸载荷下可吸收拉伸应力;在卸载时可像弹簧一样,释放应变能从而减少蠕变的影响。同时,空间卷曲纤维结构广泛存在于血管、结缔组织、毛竹以及编织复合材料中,是抵抗疲劳、冲击和多轴载荷的重要因素。我们根据纤维的力学特性和应用背景的不同,在有限应变范围内将该类复合材料分为非线性弹性体、各向异性和横观各向同性超弹性体。为了同时兼顾材料的宏细观力学特性、损伤机理和计算效率,本文建立了该类复合材料多相结构单胞有限元分析模型并施加周期性边界条件。与基于传统的均匀化和层合板损伤理论的有限元分析模型相比,所建立的复合材料单胞模型同时考虑了材料的微结构形态、组分损伤特性和界面属性可用于揭示材料的细观损伤特性与宏观损伤力学性能之间的相关性。本文的研究工作首先根据胶原纤维的形态结构特性,将其分为平面和空间卷曲结构并进行了数学参数方程表征。其次,基于单胞模型建模理论,建立了卷曲纤维增强复合材料多相结构单胞有限元分析模型并研究了纤维形态结构对材料宏观力学性能和局部应力场的影响。再者,考虑到生物组织中胶原纤维的超弹性损伤力学特性以及界面属性,探讨了纤维形态结构、损伤性能以及界面属性对复合材料宏观损伤力学性能和纤维损伤模式的影响,揭示了该类超弹性复合材料宏细观损伤力学之间的关联性。最后,考虑到固化温度对芳纶纤维卷曲结构的影响,通过改变固化温度制备了具有不同纤维卷曲特性和界面属性的芳纶纤维增强环氧树脂复合材料并通过宏观拉伸试验和细观损伤形貌分析,研究了该复合材料的宏观损伤力学响应与细观损伤之间的相互作用机理。本文主要完成的研究工作如下:（1）基于胶原纤维和编织类纤维的形态结构特性,给出了卷曲纤维形态结构的数学参数表征方程和与卷曲纤维增强复合材料力学与损伤相关的本构模型。首先,建立了平面和空间卷曲纤维中心曲线的数学参数方程,给出了实现卷曲纤维三维实体几何建模的数学建模方法;其次,根据卷曲纤维增强复合材料的多尺度力学和结构特性,详细介绍了与其力学性能和损伤相关的超弹性本构理论和损伤本构理论。（2）以平面卷曲纤维增强复合材料为研究对象,兼顾多相结构的力学和纤维微结构特性,构建了一种形态结构可控的三维单胞数值分析模型。基于所建立的复合材料单胞模型和周期性边界条件,研究了单轴拉伸载荷下单胞模型的整体力学响应并与试验结果进行了对比分析,验证了所建单胞模型的适用性和有效性。进而,基于上述复合材料单胞模型,探讨了单一和组合几何形态参数对单胞复合材料模型整体力学性能和局部应力场的影响。研究表明,材料的整体刚度主要与纤维的直线度相关,而局部应力场的大小及其分布由参数H、ω和χ共同决定且以纤维拐点参数ω为主导。该部分研究为指导该类复合材料的结构设计提供了基础数据参考。（3）以空间卷曲胶原纤维类复合材料为研究对象,研究了以其为增强相的软基质复合材料的非线性力学特性与其细观组分的微结构和损伤特性之间的关联性。首先,编写VUANISOHYPER＿INV用户子程序将各向异性和横观各向同性超弹性损伤本构嵌入有限元程序ABAQUS/Explicit并通过改变单一损伤参数验证了所编写和嵌入的材料损伤本构的正确性和可实现性。其次,在保证纤维损伤参数为常量的情况下,研究了纤维的形态结构参数对复合材料单胞整体损伤力学性能和纤维损伤特性的影响。进而,根据不同损伤参数下纤维损伤起始和演化的过程,揭示了复合材料单胞整体损伤力学特性与纤维损伤之间的相互作用机理。最后,探讨了弱界面和强界面两种界面粘结强度属性对纤维损伤与演化过程的影响。结果表明,复合材料单胞损伤名义应力-应变曲线的波动频率、幅值以及起始损伤状态与纤维的损伤属性和损伤模式相关,同时不同的界面属性可诱导纤维以不同的方式发生损伤失效,为该类复合材料的界面设计提供一定的参考价值。（4）考虑到芳纶纤维与胶原纤维具有类似的皮芯结构和横观各向异性热力学特性,通过改变复合材料制备过程中的固化温度,获取具有不同平面微卷曲结构和界面属性的微卷曲芳纶纤维增强增韧环氧复合材料。采用离轴拉伸实验与数字散斑相关法（DIC）、扫描电子显微镜（SEM）相结合的方法,研究了不同固化温度下制备的微卷曲芳纶/环氧复合材料的非线性损伤力学特性,并结合SEM微观损伤形貌和DIC应变场分布揭示了材料非线性损伤力学特性与微卷曲结构之间的非单调关系的相互作用机理。研究表明,在60°C～120°C范围内,80°C下制备的复合材料具有最佳的强度和刚度,120°C下具有最优的吸能特性。本节的研究有助于我们有选择的设计微卷曲芳纶/环氧复合材料层合板的制备工艺和界面改性。