随着汽车发展与能源、环境之间矛盾的日益尖锐,汽车轻量化已成为汽车工业进一步发展的必经之路。碳纤维树脂基复合材料由于其优异的机械性能(高的比刚度、比强度以及耐腐蚀性)在汽车设计上得到越来越广泛的应用。然而传统的长纤维复合材料的生产周期长,生产成本高,并且成型性能差,极大的限制了碳纤维材料在汽车上的应用。模压短切碳纤维复合材料由于其具有相对于长纤维复合材料较低的生产成本,快速的生产周期以及易成型性等特点,是汽车轻量化材料最具潜力的候选材料之一。由于模压过程中纤维片复杂的流动模式,导致模压短切碳纤维复合材料空间不同位置处的性质各不相同。模压短切碳纤维复合材料的性能与三个影响因素有关:第一是纤维片的方向分布,由于纤维片复杂的流动模式导致不同位置处纤维片的方向分布不同;第二是材料的细观结构,模压短切碳纤维复合材料具有其独特的细观结构,需要对其进行准确描述;第三是不同的应力状态,在不同的载荷情况下,材料会受到不同的应力,不同应力状态下材料的强度不同。因此,考虑这三个影响因素,对材料的刚度、强度进行准确预测,并形成强度评价准则对加速材料在汽车上的应用,加快汽车的轻量化进程具有重大意义。本文针对模压短切碳纤维复合材料的刚度、强度预测问题,考虑了以上三个影响因素,围绕材料的刚度预测模型、材料的强度预测模型、材料的强度评价准则和材料零部件刚强度预测等方面展开研究。论文的主要研究工作和结论如下:⑴针对模压短切碳纤维复合材料的刚度预测问题,考虑了纤维片方向分布的影响,提出了基于Voronoi图和基于纤维片排布的两种模压短切碳纤维复合材料细观结构代表体积元模型的重构方法,建立了不同纤维方向分布模压短切碳纤维复合材料的刚度预测模型,克服了现有模型无法考虑纤维方向分布以及无法实现高纤维体积含量的问题,通过与实验结果进行对比验证了两种方法刚度预测的准确性。⑵针对不同方向张量模压短切碳纤维复合材料断裂强度预测的问题,考虑纤维片在复杂应力情况下呈现拉压不对称、各向异性以及横向非线性的特点,提出了新的纤维片材料,克服了现有纤维片材料方程无法描述纤维片在复杂应力状态下非线性以及断裂行为的问题,实现了对复杂应力下纤维片变形的准确描述;提出了基于协调网格的短切碳纤维复合材料代表体积元模型,克服了现有的基于体素网格的代表体积元模型边缘处的阶梯状网格引起虚假应力成分的问题,实现了对不同加载情况下,不同纤维方向分布的模压短切碳纤维复合材料断裂强度的预测,通过与实验结果进行对比,验证了模型的正确性。⑶针对模压短切碳纤维复合材料断裂强度评价的问题,考虑不同纤维方向张量对断裂强度的影响,提出了基于代表体积元模型的宏观强度评价准则构建方法,解决了不同方向张量模压短切碳纤维复合材料在复杂应力情况下断裂强度评价问题。该方法有两点创新:第一,该方法提出将方向张量规化到主方向和主特征值的转换方法,对纤维方向张量实现降维,大大减少了构建强度评价准则所需的代表体积元模型;第二,该方法对现有的材料各向异性断裂强度评价准则进行改进引入纤维方向张量的影响,并根据代表体积元模型计算结果对修改后不同的断裂强度评价准则以及传统的基于细观力学的断裂强度预测方法进行比较,获得最合适的材料断裂强度评价准则。该准则可以对复杂应力情况下,不同纤维方向分布材料的断裂强度进行评价。⑷针对模压短切碳纤维复合材料零部件刚度以及强度预测的问题,考虑加工工艺、计算效率等影响因素,提出了模压短切碳纤维复合材料零部件加工仿真—代理模型以及材料断裂强度宏观尺度评价准则—材料零部件宏观性能的多尺度建模框架,将第2~4章中提出的材料细观尺度刚度、强度预测模型以及宏观强度评价准则进行应用,实现模压短切碳纤维复合材料零部件不同位置刚度、强度的快速评判。通过将拉伸、压缩以及V口剪切试样局部模量以及强度预测值与实验值进行了对比,验证了多尺度建模框架的正确性。