● 摘要
首先结合试验和有限元数值模拟方法，对MMF3跨尺度失效分析方法进行了发展和完善，建立了整套宏观——细观应力转化、细观损伤判定及损伤演化方法；编制了基于Python脚本语言的跨尺度理论应用插件及Abaqus软件的二次开发子程序；将该套跨尺度失效理论应用于复合材料偏轴拉伸、压缩宏观试验的模拟预测中，通过试验对其有效性进行了验证，并分析了准则中各参数的细观物理意义。而后设计了CCF300/环氧、CCF300/双马、CCF800/环氧和CCF800/双马4种不同纤维、基体匹配的复合材料体系，并分别进行了开孔拉伸、开孔压缩和冲击后压缩试验，对其破坏过程、破坏形貌和剩余强度进行了对比分析，以研究复合材料组分性能对其宏观性能的影响规律。由于跨尺度失效分析方法在细观层面判定纤维和基体的失效，可以有效模拟分析不同纤维/基体匹配复合材料体系的宏观破坏规律及破坏机理，对比数值模拟结果和相关试验结果也证实了跨尺度失效分析方法在开孔拉伸、冲击和冲击后压缩等数值模拟中的适用性。具体而言，本文的研究工作可归纳如下：
1. 建立了正方形、六边形代表体积单元（RVE）的有限元模型以及机械应力放大系数矩阵和热应力放大系数矩阵的计算流程；完善了MMF3跨尺度失效分析准则，提出了其细观临界值的求解方法，并建立了适用于有限元分析的整套损伤演化计算流程；基于Abaqus的Python脚本语言编制了专用plug-in插件，实现了应力放大系数矩阵、细观临界值和衰减后宏观模量等的自动计算。
2. 以国产CCF300/环氧复合材料体系为研究对象，进行了一系列的组分级和单层级试验，确定了材料的纤维体积含量、单层模量和强度等性能，较为系统和详细地进行了跨尺度细观参数的分析和求解。基于试验结果和Chamis公式反推得到了材料细观组分性能；详细研究了不同温度范围下的基体模量和热膨胀系数，确定了宏观——细观应力转化中的温度项；最后通过一系列的偏轴拉伸、压缩试验对跨尺度分析方法进行了验证，并分析讨论了基体失效准则中各细观临界值所代表的物理意义。
3. 设计了4种材料体系（CCF300/环氧、CCF300/双马、CCF800/环氧和CCF800/双马）的开孔拉伸和开孔压缩试验，以对比研究组分性能对层板开孔结构剩余强度的影响规律；结合应变测量、X光扫描等试验手段，详细分析了纤维、基体性能对复合材料开孔拉伸和开孔压缩破坏形貌、剩余强度的影响；而后基于跨尺度失效分析方法，通过有限元模拟深入研究了开孔拉伸试件的破坏过程及细观失效模式，进一步分析了组分性能对开孔结构性能的影响机理。
4. 设计了含不同位置、不同大小预制分层缺陷的层板，通过应变监测和云纹法定量研究了预制分层对层板压缩响应和剩余压缩强度的影响规律；通过有限元数值模拟，进一步揭示了预制分层位置及大小对子层屈曲载荷的影响规律，并基于跨尺度失效分析方法，研究了含多预制分层缺陷层板的渐进损伤过程。
5. 设计了四种不同纤维、基体匹配的复合材料体系（CCF300/环氧、CCF300/双马、CCF800/环氧、CCF800/双马），对各类层板进行了4.45J/mm和6.67J/mm能量的冲击试验及冲击后压缩试验。研究、对比了其在不同冲击能量下的冲击接触力——时间曲线、凹坑深度、C扫分层面积等特性，并针对CCF300/双马复合材料进行了热揭层试验；而后进一步对比了其冲击后压缩应力——位移曲线、破坏形貌及剩余强度。建立了层板的有限元分析模型，采用损伤累积法并结合跨尺度失效准则，分析了层板整个冲击——冲击后压缩破坏过程，研究了在冲击载荷作用下层板各单层的破坏机理及可能出现的细观失效模式。