随着破坏模拟分析技术的发展和计算机计算能力的提高,通过仿真虚拟进行结构强度试验成为可行途径。积木式虚拟试验的途径为自下而上,在设计的每个阶段通过分级多尺度渐进失效分析来验证基本材料组分、元件、以及各类组合件、子结构以及最终全尺寸件力学性能。虚拟试验可以大大降低飞机研制成本,缩短研制周期。同时,还可以通过仿真,给出不容易测量监控的结构部位的数值结果,可以自由地模拟各种载荷工况条件。针对在航空结构中大量使用的复合材料夹层结构中的泡沫夹芯材料,本文通过试验研究了材料在拉伸、压缩、剪切单轴以及多轴等不同载荷情况下的力学行为及失效模式,构造了基于拉伸、压缩、剪切强度三个参数独立影响的三参数广义强度准则。通过对刚性闭孔泡沫在复杂受力条件下的强度包线及破坏条件的试验,对该强度准则进行了标定及验证。对热固性树脂材料和热塑性树脂材料进行了拉伸、压缩、剪切单轴方向的力学试验,研究了热塑性材料的加卸载过程中的塑性行为。基于三参数强度准则,通过引入近似屈服面函数的非相关塑性流动模型,建立了基于三参数屈服准则的弹塑性本构模型,该模型仅需要通过三个单轴方向强度值确定塑性流动方向,而不需要传统的塑性泊松比,因此在工程中使用更加方便。通过基于隐式积分的应力返回技术,给出了该本构模型的隐式计算过程。通过将该塑性模型应用于热塑性as4/peek材料,对热塑性厚板复合材料进行了材料性能预测和双轴加载情况下的失效包线分析,建立了一套从细观模型到层压板模型的多尺度非线性复合材料强度预测流程,实现了单向纤维增强的复合材料层压板的虚拟试验验证。针对平纹编织复合材料,建立了从纤维/基体组份材料到单层板,从单层板到层压板级的多尺度虚拟试验流程。对单向铺层的平纹编织复合材料板和准各向同性铺层平纹编织复合材料板进行了拉伸、压缩和剪切性能试验,观察了失效机理并得到了全过程的应力-应变曲线。在平纹织物细观代表体元模型的建立中,提出了采用多点约束处理位移协调关系的域分解建模方法,避免了在纤维束交接的富树脂区建模的困难,从而解决了结构化网格剖分的问题,大大简化了复合材料细观力学建模的复杂性。通过数值模拟与试验进行了比较分析,验证了基于域分解技术建立的细观模型的多尺度渐进失效预测结果,并证明该方法可以在大大减小模型规模的情况下有效地预测平纹编织复合材料的刚度和强度。进行了三组不同铺层复合材料层压板开孔拉伸试验,通过传统的应变片测量及数字光学应变测量技术测量了孔边区域在失效过程的应力及应变分布情况,观测了含孔复合材料层压板的力学响应及失效过程,分析了开孔层压板的失效机理。利用重合网格法在分析结构局部应力集中的优势,提出了基于重合网格法的二维复合材料层压板有限元渐进失效分析计算流程,并对复合材料开孔层压板进行了在拉伸载荷作用下失效的虚拟试验分析,将重合网格法模拟结果与传统有限元模拟结果以及试验结果进行比较,验证了含孔复合材料层压板的虚拟试方法,并证明了在虚拟试验过程中采用重合网格法能够在保证计算精度的情况下有效地降低模型网格规模,缩短虚拟试验的时间。