碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)由于其高模量、高强度等特性,一直被认为是理想的增强体材料。前期研究者在聚合物基体中直接添加CNTs以得到应用于结构件的纳米复合材料,但是,该纳米复合材料中出现了CNTs分散效果不佳、无法规则排列以及CNT/基体界面强度较弱等一系列问题,使得实验结果并没有取得预期效果。近几年,一些研究者利用化学气相沉积法在碳纤维表面原位生长碳纳米管从而制备碳纳米管/碳纤维精细耦合协同强韧化复合材料,可同时达到层内增刚和层间增韧的效果。在这种由纳米尺度CNTs、微米尺度碳纤维和环氧树脂三相构成的新型多尺度复合材料体系中,CNTs沿碳纤维径向排列,且分布较均匀,嵌入层内纤维束之间和层间单板之间的区域,构成对复合材料的三维增强。此外,CNTs对层间区域裂纹面起到独特的力学桥联作用,能同时阻碍纳米尺度和微米尺度裂纹的扩展,并通过拔出机制吸收大量能量,可令层间断裂韧性大幅提高。碳纳米管/碳纤维精细耦合协同强韧化复合材料的力学性质和破坏响应的数值模拟是一个很有价值的研究方向,通过理论分析和模拟计算建立这个多尺度材料结构与性能之间的关系,具有重要的理论意义和应用价值,但目前这方面的研究工作还较少。本文主要基于复合材料细观力学和有限元分析理论,采用多尺度模拟方法,针对碳纳米管／碳纤维精细耦合协同强韧化复合材料体系,开展数学模型的构建和力学性能的计算,解决碳纳米管-碳纤维束-单层板-层合板的多层次耦合问题,重点研究复合材料层内增刚和层间增韧效果。首先,开展多尺度复合材料层内增刚的研究,先后建立由碳纳米管和环氧树脂组成的等效基体代表体积单元,以及由等效基体和碳纤维组成的多尺度复合材料周期性代表体元,通过均质化方法计算得到单层板的有效弹性系数。在模拟工作中,CNTs被视为各向同性的连续介质,而CNTs与环氧树脂之间以及碳纤维与等效基体之间的界面力学行为均用指数型内聚力模型描述。同时,本文探讨了CNTs体积分数和CNT/树脂界面强度这两个关键因素对层内增刚效果的影响,得到如下主要结论：(1)CNTs的存在可显著提高多尺度复合材料的原基体主导的力学性能,而对纤维主导的复合材料力学性能的影响不明显；(2)随着CNTs体积分数的增大,多尺度复合材料的横向弹性模量近似线性增加,而纵向弹性模量几乎无变化；(3)当CNT/树脂界面强度较小时,多尺度复合材料的横向弹性模量随界面强度增加而显著提高,但当界面强度达到一定值后,其继续增加对横向弹性模量的影响变小,而CNT/树脂界面强度改变对多尺度复合材料的纵向弹性模量几乎无影响。其次,开展多尺度复合材料层间增韧的研究,先后建立由单根CNT和环氧树脂组成的拔出机制模型以及层合板的双悬臂梁模型,通过梁理论方法计算Ⅰ型层间断裂韧性。在层间区域,除了用内聚力模型体现纯环氧树脂结合作用外,还构建了均匀分布的非线性弹簧单元来代表CNTs对裂纹面的力学桥联作用。同时,本文探讨了CNTs体积分数和CNT/树脂界面强度这两个关键因素对层间增韧效果的影响,得到如下主要结论：(1)在一定范围内,CNTs体积分数越低,单根CNT拔出机制模型中基体的弹性变形能越高;(2)随着CNT/树脂界面强度的提高,CNTs最大拔出力和最终拔出位移均大幅增加；(3)相比传统复合材料层合板,层间区域有CNTs增强的双悬臂梁结构在Ⅰ型裂纹扩展过程中的载荷最大值大幅增加,Ⅰ型层间断裂韧性也显著提高；(4)CNTs的体积分数越大,相同体积内的界面破坏所吸收的能量相应地越高,故CNTs对裂纹面所起到的力学桥联作用越明显；(5)CNT/树脂界面强度越大,相同面积的界面破坏所吸收的能量相应增加,CNTs对层间区域的增韧效果越好。