碳纤维增强树脂基(CFRPs)复合材料相对于传统金属材料,具有高比强度、高比刚度的显著优势,当前已广泛应用于航空航天等高端装备制造领域。采用CFRPs复合材料制备的层合板由于其自身的结构设计特点,当受到低速冲击时不可避免地会产生分层损伤,且损伤微裂纹主要出现和分布在强度明显弱于增强纤维的树脂基体中。通过在复合材料基体中引入含有树脂修复剂的微胶囊,服役过程中其对内部产生的损伤微裂纹将会产生自响应并可进行生物自修复,从而为复合材料工程结构提供了一种高效的在役自修复机制。本文针对CFRPs航空复合材料的微胶囊自修复问题,通过有限元数值模拟方法研究微胶囊自修复机理和修复效果,揭示微胶囊的开裂机理以及修复剂填充裂纹的复杂流固耦合行为,基于复合材料基体开裂与自修复的相关实验验证,通过数值模拟对树脂基体中预埋微胶囊的破裂、修复剂的流出以及微胶囊参数对断裂韧性修复效果的影响等展开系统研究,为复合材料的微胶囊修复方案优化设计提供指导。其主要研究内容包括:首先,建立微胶囊自修复复合材料细观有限元模型,采用扩展有限元法(XFEM)模拟了微裂纹在复合材料基体中的扩展过程及微胶囊的破裂行为。其中分析了微胶囊不同直径和体分比对复合材料自身断裂韧性的影响关系;而且在微胶囊单胞模型基础上构建了阵列分布与随机分布的微胶囊多胞有限元模型,比较分析了不同模型下的裂纹扩展规律。其次,建立微胶囊破裂后修复剂流出并进行裂纹修复的流固耦合有限元模型,结合表面张力和表面粘附力原理来研究修复剂的粘性流体弹性力学行为。分析不同的微胶囊直径和裂纹间距对修复剂流入裂纹的影响,以及修复剂流入裂纹并达到稳定状态的修复时间。揭示微胶囊中修复剂能否顺利流出并充满裂纹区域的细观力学机理及关键影响因素。最后,建立复合材料中裂纹自修复区域的细观有限元单胞模型,进一步分析和定量评估了复合材料自修复的修复效果。对含有不同直径微胶囊的复合材料,比较研究了复合材料自修复后最大断裂韧性及再次开裂机制,揭示了微胶囊大小对修复效率的重要影响作用。另外,还揭示了复合材料树脂基体与微胶囊囊壁的弹性模量比值对自修复体系中微胶囊在单位裂纹面内提供的修复剂总量的影响关系。