能源危机与环境恶化使轻量化新材料的研发工作在国际上得到了广泛的重视。凭借着高比强度、高比刚度、耐疲劳、耐腐蚀等一系列优点,碳纤维复合材料在航空与航天工程、交通运输、海洋与船舶、体育器材等领域的应用与日俱增,是21世纪最有发展前景的材料之一。为了满足结构连接、减重和视窗等要求,碳纤维复合材料构件常常需要开孔。然而,开孔后产生的应力集中或局部结构损伤会降低复合材料的力学性能,严重制约其在工程中的应用。因此,开发简单高效的碳纤维复合材料层合结构开孔补强方法,提高开孔层合板的力学性能,对推动碳纤维复合材料的规模化应用具有重大的意义。本文采用纤维变角度（Varible Angle Towing,VAT）铺放技术对碳纤维复合材料开孔层合板进行了补强,采用理论分析、多尺度数值模拟与实验研究相结合的方法,探究了不同纤维铺放轨迹和补强方式对开孔层合板的准静态力学性能（拉伸、压缩、弯曲）的影响,并对VAT补强开孔层合板的动态（冲击及疲劳）力学性能进一步进行了研究,探讨了VAT对碳纤维复合材料开孔层合板的补强机理。主要研究工作如下:（1）VAT补强复合材料开孔层合板的多尺度建模与仿真研究。建立包含纤维-树脂-界面的参数化细观单胞模型,对碳纤维复合材料代表性体积单元进行数值仿真分析,并探究碳纤维复合材料纤维体积含量与其强度/刚度之间的关联。随后,建立VAT补强复合材料开孔层合板的参数化梯度属性模型。梯度属性模型中各单元有着不同的本构关系及失效准则,将由单胞模型获得的“纤维体积含量-材料属性”关系导入梯度属性模型,可以对VAT补强复合材料开孔层合板在不同工况下的位移-载荷关系及渐进损伤行为进行分析。（2）使用不同纤维轨迹的椭圆形VAT补强片对碳纤维复合材料开孔层合板进行粘接补强与一体成型补强,并对补强后碳纤维复合材料开孔层合板的准静态拉伸、压缩、弯曲性能进行仿真及实验研究。研究结果表明,VAT一体成型补强较VAT粘接补强有着更优秀的补强效果,不同离心率的VAT一体成型补强的补强效果也有所不同。补强片离心率为0.36时,VAT一体成型补强后的拉伸强度和压缩强度最高,其拉伸强度提升率达到了38%,压缩强度提升率达到了27%;当补强片离心率为0.43时,VAT一体成型补强后的最大弯曲载荷最高,其最大弯曲载荷提升率达到了75.3%。仿真模型成功预测了VAT补强复合材料开孔层合板的破坏模式,且模型对拉伸强度的仿真误差小于10.8%,对压缩强度的仿真误差小于15.2%,对最大弯曲载荷的仿真误差则小于11.6%。仿真与实验研究结果表明,VAT补强复合材料开孔板的准静态力学性能与补强方式和纤维轨迹有关。一方面,VAT一体成型补强界面强度高于粘接界面强度,在对复合材料开孔板的补强中可以起到更好的效果;另一方面,不同载荷工况下VAT补强复合材料开孔板适用不同的纤维路径,合适的纤维路径可以更有效地增强VAT补强效果。（3）针对准静态力学性能较好的VAT一体成型补强方法,开展动态力学性能研究。研究结果表明,VAT一体成型补强可以有效提升复合材料开孔层合板的冲击性能,其对复合材料开孔层合板面内冲击压缩性能提升可达到35%;VAT一体成型补强对复合材料层合板的拉-拉疲劳性能提升则较低,VAT一体成型补强仅能将复合材料开孔层合板的疲劳极限提升3.5%。针对VAT一体成型补强复合材料开孔层合板的冲击和疲劳仿真分别有效预测了层合板在冲击和疲劳工况下的损伤模式,对冲击强度和疲劳极限的预测结果与实验相差分别为18.8%和16.7%。仿真与实验研究结果表明,VAT一体成型补强复合材料开孔板在冲击过程中的失效模式均为补强片-层合板界面脱粘破坏,界面强度是限制VAT一体成型补强开孔板动态性能的关键因素。本课题对VAT补强碳纤维复合材料开孔层合板的纤维轨迹规划和补强片连接方式进行了探究,采用实验和多尺度有限元仿真方法分析了补强后复合材料开孔层合板的力学性能,有助于解决碳纤维复合材料层合板开孔后力学性能下降的问题,为碳纤维复合材料开孔补强探索了新的技术方法。