航空结构设计中,开口的设置一般是为了满足制造及使用功能需求,如飞机中的维修人员专用口、管道电缆通过口等。随着纤维增强(FRP)复合材料越来越多被应用于飞机结构关键承载部件,开口对于FRP复合材料结构的承载特性及损伤特性的影响也不容忽视。开口在FRP复合材料结构局部切断纤维,不仅会引起其局部刚度与强度的下降,同时结构内部应力应变分布的改变及应力集中现象对结构整体承载能力与稳定性产生较大影响。按照尺寸的大小,开口可分类为小开口、开口、大开口三种。含开口复合材料结构的应力应变水平及损伤特性与开口大小、形状密切相关,是结构设计分析中的一大难题。FRP复合材料是典型的非均匀、各向异性材料,对其失效模式的分析是工程中的重点与难点。开口的存在使FRP复合材料结构的损伤过程更加复杂,涉及到的损伤模式包含分层、基体劈裂、纤维断裂、纤维扭折或其混合模式等。因此,对于含不同尺度开口的复合材料结构在特定载荷作用下的试验研究和仿真研究工作具有重要的学术价值和工程意义。本文以含开口的碳纤维增强(CFRP)复合材料结构作为研究对象,对于含有小、中和大开口的层合板在特定载荷作用下的承载和损伤特性进行了系统、深入的研究。首先,开展了在准静态拉伸载荷作用下含不同尺寸小型开口的碳纤维增强复合材料试验件的拉伸试验。分别测试了±45°和0°层为主要铺层的两种铺层顺序的试验件。构建了适用于小开口(开孔)CFRP复合材料层合板渐进损伤模拟的三维CDM模型,模型考虑了材料剪切非线性本构行为。利用所构建模型对拉伸试验件的渐进损伤过程进行建模仿真,并通过仿真结果与试验结果的对比评估了三种不同的损伤触发准则,Hashin准则、Puck准则以及La RC04准则在开口层板渐进损伤模拟的表现。对含小型开口的CFRP复合材料层合板力学性能和损伤机理的试验及仿真研究为后续针对含有中、大型开口的层合板结构的试验和仿真分析提供依据。其次,构建了适用于中、大尺度CFRP层合板薄壁构件的基于壳单元的渐进损伤模型。模型考虑了层内纤维损伤和基体损伤的耦合作用及分层损伤对于纤维压缩刚度的影响。通过试验和仿真手段系统地分析了含有不同形状中型开口的层合板构件在面内剪切载荷作用下的承载特性及渐进损伤过程。讨论了三种典型开口形状:圆形、菱形、长圆形对于层合板的前屈曲及后屈曲阶段力学性能的影响,并进行了开口尺寸对于层合板应力集中及结构屈曲临界载荷的参数分析。通过试验和仿真手段验证了共固化插层补强对于开口结构的补强效果。仿真得到的结果与试验结果符合度良好。所构建的考虑复杂损伤耦合效应的模型的计算精度和效率都可以满足工程中对于大尺度薄壁复合材料结构建模计算的要求。再次,开展了含椭圆形大开口的CFRP层合板的面内剪切试验,首次通过试验评估含大开口的层合板的屈曲和后屈曲承载能力。利用考虑纤维和基体损伤耦合效应的CDM模型进行渐进损伤过程模拟。研究结果表明大开口结构在剪切载荷作用下的后屈曲承载能力非常强。最后,建立了一种用于准脆性裂纹扩展建模的CDM计算模型。该模型嵌入局部裂纹跟踪算法,可以有效的减轻乃至消除裂纹扩展路径对有限元网格的依赖性。此外,实时裂纹带宽模型和非局部平均方案相结合的技术也在模型中实现。这种新的实时裂纹带宽的计算方法不仅取决于有限元的大小和外形,而且与单个单元中裂纹的物理路径有关系,因此,可以利用物理意义更明确的方式来计算裂纹扩展过程中的能量耗散。通过一个经典的含缺口三点弯梁对于所提出的模型进行测试。测试表明,应用局部裂纹跟踪算法,断裂带模型及非局部化处理技术的新的CDM模型,有效地消除了传统CDM模型的网格敏感性。其模拟结果非常好,无论是裂纹的扩展路径和结构载荷-位移响应的预测结果都较准确。所提出的模型可精确捕捉断裂过程的材料渐进损伤演化和裂纹扩展过程。该模型被推广至复合材料损伤模拟,并通过含小开口复合材料试验件模型进行了验证。