1、纖維增強樹脂基復合材料具有較高的比強度和比模量、較強的可設計性、良好的抗疲勞性和耐腐蝕性以及便于整體成型等優(yōu)點，已廣泛用于航空航天、建筑、汽車、艦船、體育器材等領域。特別是在航空結構中，已成為主要材料之一。纖維復合材料具有內部結構多尺度化、組分材料高異質化的顯著特征，導致力學性能與結構具有高度的關聯(lián)性。因此，針對國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃中確立的大飛機重大專項，開展纖維復合材料的結構-力學性能相關性研究，實現(xiàn)高性能、低缺陷、低成本目標，具有

2、重要的科學意義以及廣闊的工程應用背景。
　　 紡織結構復合材料和層合結構復合材料是航空工業(yè)中應用較廣泛的兩種工程結構件。紡織結構復合材料由于內部增強體交織構造的存在，其應力場高度非均勻化，在某些區(qū)域存在嚴重的應力集中，應力集中的位置與紡織構造和外載荷類型高度相關。層合結構復合材料在面內方向能夠提供足夠的承載能力，但由于層間區(qū)域界面性能較弱，對面外沖擊高度敏感，容易造成層間分層，嚴重降低層合結構復合材料后繼服役過程中的力學性能，形

3、成潛在的安全隱患。解決上述問題的有效方法之一是開展纖維增強樹脂基復合材料結構.性能相關性的數(shù)值分析，研究復合材料在各種載荷下的力學行為、損傷機理與內部結構之間的關聯(lián)規(guī)律，為結構的優(yōu)化設計提供理論基礎與技術支持，使復合材料制品滿足性能要求和尺寸要求，預測和避免潛在安全隱患的產(chǎn)生。盡管國內外已經(jīng)開展了大量研究，但相對于復雜的物理過程，數(shù)值分析所建模型仍舊比較簡化，同時缺乏不同材料結構之間的對比研究。針對這些不足之處，結合課題背景和項目來源，

4、本文以紡織結構復合材料和層合結構復合材料為研究對象，采用數(shù)值分析的方法研究了材料結構對材料微觀應力分布以及宏觀力學響應的影響規(guī)律，同時在多尺度層次下對纖維復合材料結構.力學性能相關性開展了系統(tǒng)深入的研究。
　　 本文的主要工作以及結論如下：
　　 首先，針對復合材料多尺度結構中的微觀尺度-纖維尺度，開展了單向復合材料力學性能的數(shù)值分析，并以此作為后續(xù)章節(jié)中纖維復合材料結構-性能相關性分析的基礎。本文選取了更接近于橫觀各向

5、同性的纖維六邊形布排方式，建立了周期性代表單胞模型。在代表單胞的相對表面上施加了周期性邊界條件，實現(xiàn)了材料受載變形之后其單胞對應邊界上不僅位移連續(xù)而且應力連續(xù)，保證了結構的周期性和力學性能預測的準確性。針對纖維復合材料中存在的增強相、基體相以及界面相三種組分，分別采用橫觀各向同性(或者各向同性)、各向同性、內聚力模型等材料本構關系建立了相應的力學模型。數(shù)值模擬了單胞模型在多種載荷情況下的微觀應力分布。同時，利用復合材料細觀力學中的均質化

6、方法分析了單向復合材料的等效彈性模量。在微觀應力場分析的基礎上，運用漸進損傷的方法，進一步針對單向復合材料的失效強度進行了有限元模擬，重點討論了界面強度對單向復合材料整體失效的影響。結果表明：在縱向加載下，材料的失效強度由纖維主控，界面強度對縱向載荷下單向復合材料的失效行為影響較??；而在橫向載荷下，基體損傷與界面失效交互出現(xiàn)，界面性能對材料整體失效有著重要影響，特別是在橫向剪切載荷下，界面粘結強度的提高能夠顯著提高材料抵抗剪切失效的性能

7、。
　　 其次，在單向復合材料分析的基礎上，針對更大結構尺度-纖維束尺度，數(shù)值分析了編織復合材料內部結構-力學性能相關性。以具有代表性的二軸編織復合材料(1×1編織和2×2編織)為研究對象，針對結構復雜、應力場分析困難、研究較少的非正交編織，本文摒棄了傳統(tǒng)的矩形單胞選取方式，采用了更適于進行應力場分析的平行四邊形周期性代表單胞；同時，考慮了非正交編織中纖維束變化的橫截面，構建了更接近真實構造的有限元模型，在此基礎上分析了不同紡織

8、構造對復合材料彈性性能的影響以及在不同載荷情況下結構內部的非均勻應力分布規(guī)律，并進一步統(tǒng)計分析了材料內部的應力集中情況。研究發(fā)現(xiàn)：紡織結構復合材料內部的應力分布與紗線的交織構造具有高度的關聯(lián)性；編織角對材料整體的等效性能具有重要影響；1×1與2×2這兩個不同的編織構造之間的差異性同樣會引起材料力學性能的不同。
　　 然后，以單向纖維復合材料力學性能分析結論為基礎，在宏觀尺度上對層合結構復合材料的力學性能進行了數(shù)值分析。根據(jù)漸進損

9、傷原理，針對層合結構復合材料在準靜壓下出現(xiàn)的各種損傷，確立了相應的失效判據(jù)和材料性能退化準則，構建了預測復合材料層合板準靜壓損傷的有限元模型，深入分析了在準靜壓載荷下層合板內部各種損傷的演化規(guī)律以及層合結構對準靜壓損傷的影響規(guī)律。研究結果表明：在沖擊載荷下降之前，基體損傷以及分層破壞的擴展速度相對比較平緩，伴隨材料宏觀力學性能退化的出現(xiàn)，損傷開始快速擴展；在層合板總厚度不變的情況下，纖維鋪層厚度的增加會加大層合板的基體開裂損傷以及分層損

10、傷，同時抑制纖維斷裂的發(fā)生。
　　 最后，在復合材料層合板準靜壓損傷分析的基礎上，進一步對層合結構復合材料在低速沖擊下的力學響應進行了動態(tài)有限元分析。采用連續(xù)損傷力學構建了纖維鋪層內的材料模型，運用內聚力模型構造了層間區(qū)域模型，將兩者相結合建立了層合結構復合材料在低速沖擊下的損傷有限元模型。深入分析了在低速沖擊載荷下層合板整體的力學響應、分層損傷的演化過程、沖擊能量轉換耗散過程以及損傷區(qū)域分布規(guī)律，還討論了層間界面性能以及纖維鋪