先进复合材料具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、性能可设计等优势,自19世纪60年代起逐步成为了航空航天装备中重要的结构材料。随着高端航空航天装备中复合材料用量的提升,复合材料结构的尺寸越来越大,其典型制造缺陷如孔隙、分层等更为多发,且缺陷尺寸与结构尺寸间存在明显差异,因此复合材料制造缺陷对大型复合材料构件及整体装备的承载能力影响十分关键。与此同时,复合材料越来越多的应用在复杂环境中,基体和纤维在热载荷作用下会因为热不匹配而产生细观应力,从而导致结构的失效,因此热-力耦合载荷下复合材料结构的失效分析问题也受到越来越多的关注。传统按均质材料简化的宏观复合材料分析方法难以应对结构多尺度特征带来的挑战,需要借助多尺度分析方法开展结构分析。复合材料的多尺度分析方法核心在于不同尺度模型的建立,以及不同尺度间的尺度联接关系。具体来说,对于含典型缺陷的大型复合材料构件,一般包含基体-纤维尺度、孔隙尺度、宏观复合材料结构尺度三个尺度。发展含缺陷复合材料多尺度分析模型的关键问题就在于如何建立上述三个尺度上材料力学模型,并通过高效、高精度尺度联接关系实现整体复合材料结构的多尺度分析。本论文在不同尺度上分别建立了基体-纤维尺度分析模型,孔隙和分层的缺陷分析模型,并建立了基于应力放大系数的尺度联接关系,实现了包含孔隙和分层缺陷大型复合材料构件的多尺度分析。论文主要内容如下:1.基体-纤维尺度力学分析:为在基体-纤维尺度预测复合材料的细观失效,本论文采用Puck失效平面假定,在失效准则引入了与失效机理相关的失效角度,建立了基于失效平面上应力状态特征的跨尺度失效准则。同时,基于细观力学方法建立了基体-纤维尺度的细观单胞模型,并通过与WWFE(World-Wide Failure Exercise)中试验结果的对比证明了该方法的准确性。本论文还研究了热应力导致的“压缩滞后”效应的产生机理并提出该效应的预测方法,分析了不考虑该效应会导致的预测误差,结果表明:以LaRC 03准则为例,不考虑该效应会引起对于失效强度的高估。2.制造缺陷的分析模型:复合材料中存在大量的制造缺陷,例如孔隙缺陷和分层缺陷。现有的孔隙缺陷描述模型尚不完善。本论文给出了孔隙几何特征的一般性约束条件,并分析了目前孔隙缺陷描述模型不合理的原因。本论文提出采用四个比例参数以及与工艺历程相关的孔隙尺寸信息,建立了孔隙形貌的描述方法,同时基于细观力学有限元法建立了孔隙尺度的单胞模型并开展力学分析,与已有的两参数孔隙描述方法的对比表明,本文提出的方法能够描述范围更广的孔隙形貌,同时更符合孔隙形貌的实际情况。针对复合材料分层缺陷,本论文根据已有研究选择了内聚力模型和VCCT(Virtual Crack Closure Technique)方法作为分层分析模型,对典型的复合材料结构开展了失效分析。在进行复合材料分层失效分析的同时,为了考虑分层可能产生的复杂形貌,本论文提出了一种分形内聚力模型。3.制造缺陷的影响规律:基于这些模型和方法,本论文讨论了孔隙、分层缺陷对复合材料材料性能和结构性能的影响规律。针对孔隙缺陷,本论文获得了孔隙形貌、孔隙体分比与含孔隙复合材料弹性模量、强度间的映射规律。与此同时,本文分析了已有研究中采用试验确定孔隙缺陷影响的不足之处,以及可能引起的误差。结果表明:孔隙的形貌对材料力学性能有重要的影响,应和孔隙体分比一样作为独立的参数进行考虑。针对分层缺陷,本论文讨论了分层缺陷对典型单加筋结构力学性能的影响规律,预测了结构压溃载荷、结构局部屈曲载荷和分层起始扩展载荷,并分析了分层位置对结构失效载荷造成不同影响的机理:分层位于不同位置时其前缘应力状态是造成分层对结构失效载荷影响不同的原因,分层位于反节点线时,结构更容易失效。4.大型复合材料构件多尺度分析:大型复合材料构件多尺度分析需要兼顾计算效率和预测精度,本论文建立了基于应力放大系数的尺度联接关系,以及相对应的渐进损伤分析的刚度折减关系,提出了能够考虑不同尺度制造缺陷影响的大型复合材料构件多尺度分析方法。以复合材料盒段结构和低温复合材料贮箱为例,考虑上述两种典型结构的轴压失效和泄漏失效等典型失效模式,分析了这两种结构的失效规律,验证了本论文提出的多尺度分析框架的有效性。