随着复合材料在飞机结构中应用比例的逐步增加,复合材料构件之间、复合材料与金属构件之间出现大量的机械连接。复合材料机械连接是飞机结构中最薄弱的环节之一,在对复合材料螺栓连接设计与分析中,通常采用基于各种连接破坏定义的工程算法及建立在复合材料线性本构模型上的损伤累积方法进行连接设计与强度分析,由于方法的简单化及材料本构模型描述的不精确性,使得连接设计制约了复合材料结构的减重效率。因此研究复合材料的损伤本构模型并应用于复合材料连接结构的设计分析中就成为一个急需解决的问题。本文重点研究了两方面内容:一方面是基于复合材料的物理宏观表象,提出三种材料非线性本构模型;另一方面是应用非线性本构模型对复合材料多钉连接结构的力学响应、损伤扩展、失效模式等进行数值模拟。本文的第二章至第四章,逐步提出了复合材料的面内连续损伤模型、面内弹塑性连续损伤模型以及唯象表征材料非线性性能的塑性本构模型来描述复合材料的宏观非线性行为,并结合相应的失效判据研究复合材料连接结构的位移载荷响应、损伤演化与失效模式等。第五章将第四章的复合材料力学本构模型集成到复合材料疲劳损伤模型中,进一步结合修正的金属Lemaitre疲劳模型,研究了复合材料/金属混合连接结构的疲劳损伤特性。论文第二章主要简化与改进了传统的面内连续损伤模型,将其进一步应用于复合材料双搭接螺栓连接结构的数值模拟中。作者首先介绍了用于复合材料连接分析的工程算法与损伤累积失效模型。在此基础上阐述了本文所采用的面内连续损伤模型:假设复合材料横向与面内剪切方向上的非线性均由基体微观裂纹引起,综合考虑基体拉伸以及纤维基体剪切的面内连续损伤;并提出了改进的纤维损伤失效判据,即采用Hashin判据来给出初始纤维失效应变,然后由纤维方向的应变与初始失效应变以及极限断裂应变之间的定量关系给出纤维损伤变量;在引入损伤变量、有效应力以及材料连续损伤矩阵的基础上,给出了本文的面内连续损伤模型。并通过对复合材料单向板各方向的面内应力应变关系的预测结果与文献试验结果的对比,验证了本文给出的面内连续损伤模型的有效性。最后,采用本章模型对复合材料双搭接螺栓连接结构进行了位移载荷响应、结构刚度退化、损伤累积以及失效模式的模拟与计算分析,计算结果令人满意。论文第三章首先提出连续损伤弹塑性本构模型:即复合材料在横向与剪切方向的非线性力学宏观表征是由基体微观裂纹与基体材料的塑性耦合共同引起的。论文将微观尺度下的连续损伤变量与宏观尺度下的材料失效之后的损伤变量相结合,提出了复合材料混合损伤本构模型:即面内连续损伤弹塑性本构模型预测材料发生失效之前的面内连续损伤;应用Puck、Hashin失效准则以及降低网格依赖度的Crack Band方法模拟材料失效之后的宏观力学性能退化。应用此模型预测了复合材料单向板的面内应力应变响应,计算结果与文献试验结果吻合良好;通过比较不同网格尺寸的计算结果,证明本文提出并建立的计算模型具有低的网格依赖性,应用本章损伤本构模型模拟了复合材料单搭接螺栓多钉连接结构的次弯曲效应、结构刚度退化、损伤扩展、失效模式等,并与面内连续损伤模型的模拟结果进行了对比,显示该模型在模拟孔边基体三维失效等方面更为优越。第四章从唯象表征的角度出发,假设复合材料的宏观非线性力学表象均由材料的塑性力学特征引起,在此基础上提出一弹塑性本构模型,改进了第三章中非线性本构模型所采用的屈服函数,并提出了新的塑性硬化函数。采用此弹塑性力学本构模型,预测了聚合物基纤维增强复合材料横向、剪切方向以及偏轴层合板的宏观非线性响应,预测结果与文献试验结果比较吻合,表明本章提出的非线性本构模型可以模拟聚合物基复合材料的非线性力学行为。本章结合第三章提出的Puck失效准则与降低网格依赖度的退化方法,对复合材料带孔层合板进行了损伤扩展分析,并对复合材料/金属沉头螺栓多钉连接结构进行了准静态失效分析,模拟结果与文献试验结果比较吻合。第五章的重点是对复合材料层合板以及复合材料/金属单搭接多钉连接结构进行疲劳失效分析。本章将第四章的复合材料非线性弹塑性本构模型引入疲劳渐进损伤分析中,对复合材料采用正则化疲劳寿命分析模型和剩余强度/剩余刚度疲劳分析模型,预测了T300/QY8911复合材料层合板的疲劳寿命,并分析了复合材料多钉连接结构的刚度退化、疲劳损伤累积、结构失效形式以及孔边变形等;进一步结合金属材料的Lemaitre高、低周疲劳模型,分析了复合材料/金属混合多钉连接结构的疲劳损伤扩展。对比试验发现模拟所得的疲劳损伤扩展模式与试验结果较符合。