纤维增强复合材料具有力学性能优异、可设计性强等优点,常作为承载结构主要材料,在航空航天等领域广泛使用。但由于其微细观组分配比多样,结构复杂且涉及多个空间尺度,使得其断裂过程呈现出强非线性和多尺度耦合等特点。采用传统的宏观表征手段及唯象理论方法很难深入理解纤维增强复合材料的断裂过程及失效机理。随着材料微细观精细化建模方法的发展,从虚拟实验角度揭示材料多尺度断裂及失效机制成为研究热点。近年来,相场理论因其无需预制裂纹起裂位置和扩展路径,且无需引入额外的裂纹扩展准则等优势,被认为是用于分析计算断裂过程的有力工具。为此,本文以虚拟实验为研究背景,以纤维增强复合材料断裂问题为研究对象,发展了相场方法,从微细观尺度追踪了裂纹扩展路径,结合多尺度分析方法,建立了微细观裂纹扩展过程与宏观力学响应的关联关系。计算结果表明该多尺度断裂力学计算方法能够很好地捕捉多相材料的复杂裂纹形貌,加深对纤维增强复合材料多尺度断裂行为的理解。基于Griffith能量准则和能量最小化原理,考虑多相复合材料断裂模式,发展了相场方法,推导了相场和位移场耦合的控制方程及其弱形式,通过有限元法开发包含相场和位移场两种节点自由度的新型二维和三维单元。计算分析了张开型及混合型裂纹扩展、受双材料界面影响的亚界面裂纹扩展等二维和三维典型算例,较为准确地捕捉到裂纹形核和扩展路径,验证相场理论用于多相材料断裂分析的有效性。纤维轴向是单向纤维增强复合材料的重要承载方向,从微细观尺度分析裂纹形核与扩展有助于深入理解材料的失效机理,进而提高材料宏观强韧性能。建立远场拉伸载荷下裂纹遇纤维/基体界面时的扩展路径准则,通过研究裂纹路径对强韧性能及断口形貌的影响,分析了单向纤维增强复合材料在轴向拉伸下的力学行为。计算获得了Si C/Si C材料多处基体开裂,C/C材料纤维切断及纤维拔出等轴向拉伸断裂模式,与实验现象一致。建立微细观裂纹扩展过程与宏观非线性力学响应之间的关联,为深入认识材料失效机理提供重要基础。纤维横向是单向纤维增强复合材料的薄弱承载方向,横向断裂往往在材料中最先形成,进而诱发其他破坏模式。从微细观尺度,在横向拉伸载荷下,从界面开裂到形成宏观横向裂纹涉及诸多复杂断裂模式。为此,考虑裂纹I型和II型混合扩展模式,建立了界面断裂参数随该混合扩展模式变化的相场方法,分析了组分材料性能、界面厚度、纤维半径以及纤维分布形式等材料和几何参数对界面强度的影响。实现了界面裂纹偏折侵入基体、界面裂纹沿纤维轴向形成“隧道”裂纹的三维数值计算。在多纤维模型中,实现了界面裂纹形核、扩展、偏折侵入基体、在基体中汇聚形成宏观主裂纹等完整断裂行为的计算,获得的裂纹扩展路径与实验观测结果吻合较好。基于上述研究,开展了针刺C/C复合材料刚度和断裂机制的多尺度力学性能研究。建立了考虑由工艺引起的纤维形态变化的典型单胞模型,推导了适用于旋转对称结构的对称周期边界条件,提出了从纤维单丝尺度预报宏观等效刚度的多尺度模型,计算得到的宏观刚度与实验结果吻合较好,验证了该多尺度模型的有效性。发展了考虑纤维轴向和横向断裂模式的双参数相场方法,提出了区分断裂模式且考虑微细观尺度非线性力学响应的多尺度相场模型,计算获得的针刺C/C材料断裂模式与实验结果吻合较好,应力应变数值上的差异主要在于计算模型无法精细地考虑实际材料中的初始随机缺陷、组分材料原位性能等特征,这些均将在未来进一步地发展研究。