纳米材料作为聚合物的增强相具有很大机械和物理性能增益的潜力,为了促进纳米增强聚合物复合材料的开发,必须建立合适的本构关系,以预测复合材料的整体机械性能随聚合物、纳米材料的分子结构的变化。本文以碳纳米管增强环氧树脂复合材料为研究对象,基于分子水平增强机理的理解,建立能够反映复合材料纳观结构与宏观响应关系的多尺度超弹性本构方程。运用分子动力学方法对本构方程中的未知参数进行识别,通过实验与理论计算的对比验证了所建立多尺度超弹性本构模型的有效性。首先,基于纤维增强复合材料超弹性本构方程的基本形式,利用八链模型和管道模型分别表征环氧树脂和碳纳米管的超弹性,确定了碳纳米管微观变形和宏观变形之间的关系,建立了能够表征碳纳米管质量分数和长径比影响的碳纳米管/环氧树脂基复合材料横观各向同性超弹性本构模型。通过分子链平均分布理论将本构方程从横观各向同性推广到宏观各向同性,并确定了本构方程中待测的五个参数。为了验证所建立本构方程的适用性,在单轴拉伸负载情况下分析了模型中环氧树脂和碳纳米管材料参数对力学响应的影响,并与理论和已有的实验数据进行对比。其次,基于分子动力学仿真的方式,建立了碳纳米管/环氧树脂基复合材料超弹性本构方程中微观未知参数的测量方法。通过分子链统计方法,建立了环氧树脂交联点间平均Kuhn链段个数与其单体聚合度之间的关系。为了获得环氧树脂在平面剪切负载下的准静态响应,采用“人工老化”方法使模型从高能态向低能态跃迁,从而计算出环氧树脂的时间无关剪切模量。基于Kuhn链段长度是持续长度的两倍的关系,通过碳纳米管弯曲仿真的方式测量其微观持续长度,给出持续长度与碳纳米管直径、长度、壁数的关系公式。测量了环氧树脂与碳纳米管的杨氏模量,并建立了碳纳米管杨氏模量与直径、壁数的关系。最后,制备了碳纳米管/环氧树脂基复合材料试件,探究了在单轴拉伸负载下碳纳米管质量分数和长径比对复合材料力学响应的影响。根据实验所用的材料和数据,基于第三章建立的参数识别方法,验证了所建立本构模型的有效性。确定了所建立的本构模型的在环氧树脂交联度、碳纳米管质量分数不同情况下的适用范围。