层合复合材料除具备复合材料的抗疲劳、耐腐蚀等优良性能外，还具有铺层可设计、加工工艺简单、材料成本较低等优点，已广泛用于航空、航天等领域，但层合复合材料在复杂载荷作用下的静力学行为及疲劳特性的研究还非常有限。本文针对层合复合材料，系统地研究了拉-扭组合载荷作用下的多轴力学行为及疲劳寿命预测模型，主要研究工作及研究结论如下：
　　（1）开展了不同偏轴拉伸角下复合材料单向板的试验研究。分别进行了不同偏轴拉伸角下复合材料的静拉伸和拉-拉疲劳试验研究，得到了T700/环氧树脂基复合材料在不同偏轴拉伸角下的刚度性能、强度性能和疲劳性能；对纯树脂进行了静拉伸和静压缩试验，获得了环氧树脂的拉伸刚度、拉伸强度、压缩刚度和压缩强度。
　　（2）开展了层合复合材料的拉-扭多轴试验研究。针对铺层形式为[45/70/0/-70/-45]的层合复合材料，分别进行了不同双轴应力比下的多轴静强度试验研究，获得了层合复合材料在不同双轴应力比下的轴向刚度、轴向强度、扭转刚度和扭转强度等力学性能；分别进行了不同双轴应力比下的比例多轴疲劳及不同相位角下的非比例多轴疲劳试验研究，对比分析了双轴应力比及相位角对层合复合材料多轴疲劳寿命的影响。
　　（3）开展了纤维单丝随机分布单胞有限元刚度模型的研究。本文假设复合材料是由基体及其间随机分布的纤维单丝组成的，以六边形均匀分布为纤维单丝的初始分布构建单胞，胞体内的各纤维单丝在厚度方向上不允许跨越胞体边界，并且对纤维单丝模拟光滑球体的完全弹性碰撞，建立了复合材料单层板的细观尺度单胞，引入提出的适用于多轴加载的周期性边界条件，并结合所建立的纤维单丝随机分布单胞模型，对复合材料的各基本力学性能进行了预测。通过碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料的试验结果验证了模型的有效性。
　　（4）基于纤维单丝随机分布单胞，建立了一种层合复合材料宏-细观单胞有限元刚度模型。该模型首先建立含有若干层单层板的复合材料层合板单胞，由本文纤维单丝随机分布单胞有限元刚度模型求解各单层板的刚度性能；其次，对层合板单胞进行有限元网格划分，并施加本文提出的多轴加载的周期性边界条件，建立层合板单胞有限元刚度模型，进行层合板单胞的等效刚度求解。通过单向板的偏轴拉伸刚度试验结果与层合复合材料的拉-扭多轴刚度试验结果验证了模型的有效性。
　　（5）提出并建立了宏-细观层合复合材料多轴静强度预测模型。基于夹杂理论和弹塑性力学理论，对含纤维单丝的无限大基体中纤维与基体内的应力场进行弹性力学分析，基于此，针对基体提出了能量型失效准则，将三维Hashin失效准则的应用范围扩展至纤维单丝，依据逐渐损伤扩展理论，结合复合材料层合板单胞的失效准则，建立了宏-细观复合材料多轴静强度预测模型。通过复合材料单向板的偏轴拉伸和层合复合材料在拉-扭组合载荷作用下的多轴试验结果验证了模型的有效性。
　　（6）基于宏-细观层合复合材料多轴静强度模型，提出并建立了宏-细观层合复合材料多轴疲劳寿命预测模型。分别针对纤维和基体，提出了一种同时考虑了应力、应变和加载路径影响的能量型疲劳损伤参量，结合复合材料层合板的多轴静强度逐渐损伤分析，建立了宏-细观层合复合材料多轴疲劳寿命预测模型。通过复合材料单向板的偏轴拉伸疲劳和层合复合材料在不同应力路径下的多轴疲劳试验结果验证了模型的有效性。