由于其高比强度、耐腐蚀性和优异的可设计性等特点,碳纤维复合材料在航空航天、海洋管道、水下航行器、高压气体储存等领域具有广泛的应用。由于碳纤维复合材料细观结构的不同会导致材料宏观属性差距很大,因此碳纤维复合材料应用的前提是需要准确刻画材料性质。由于材料的各向异性,很多参数难以通过实验测量,建立能够预测复合材料性能模型是必要的。基于此,本文针对碳纤维复合材料的力学性质进行研究,建立了复合材料从碳纤维丝到宏观结构的多尺度力学模型,此涉及到多尺度行为。论文主要的内容和成果如下:1.针对平纹编织复合材料,考虑了纱线形状边界及纤维走向,基于二阶双尺度方法（SOTS）,建立了平纹编织复合材料的细观力学模型,并通过数值计算得到平纹编织复合材料的等效弹性参数。通过与实验测量的杨氏模量和剪切模量进行对比,验证了模型的有效性。2.针对碳纤维缠绕复合材料,基于高保真广义胞元方法（HFGMC）,建立了从碳纤维丝的细观结构到碳纤维缠绕圆筒的宏观性质的多尺度模型,求解了碳纤维缠绕圆筒的等效弹性参数。相比于现有研究工作中直接利用有限元的求解方法,简化了建模和计算过程,不需要建立复杂的三维单胞模型,大幅度降低计算时间。通过与文献计算结果的比较验证了模型的有效性。在该模型的基础上,分析了不同缠绕角度对碳纤维缠绕复合材料的等效弹性参数的影响,结果表明当缠绕角度越小时,轴向杨氏模量越大。本文模型可为碳纤维缠绕复合材料缠绕方法的优化提供理论基础和依据。3.针对碳纤维缠绕复合材料电磁轨道炮炮筒结构,建立了电磁发射条件下碳纤维缠绕复合材料炮筒的动力学模型,分析碳纤维复合材料内禀各向异性特征对碳纤维缠绕复合材料炮筒宏观振动行为的影响规律。结果表明,在研究碳纤维炮筒的振动时不可忽视材料的各向异性。碳纤维炮筒能够实现轻质化,相比于传统钢制炮筒,可以大大减轻炮筒质量,同时具有比钢制炮筒更高的模量。但是碳纤维复合材料的高模量,并不足以完全抵消质量减轻对振动产生的影响,碳纤维复合材料炮筒的振幅比传统钢制炮筒更大。可以通过调节炮筒长度、炮筒约束长度、炮筒约束刚度、脉冲电流最大幅值等参数,使碳纤维复合材料炮筒末端转角和位移接近钢制炮筒末端转角和位移。本文结果对于碳纤维缠绕电磁炮的结构设计提供了理论基础和设计参考依据。综上所述,本文通过建立碳纤维复合材料细观模型,能够对碳纤维复合材料的等效弹性参数进行预测和设计。省去了繁琐和昂贵的实验,对于碳纤维复合材料的实际应用提供了理论指导与参考依据。