随着先进复合材料在航空、航天结构中的广泛应用,对其损伤机理和预测方法的深入研究具有十分重要的科学价值和工程实际意义。在复合材料的多种损伤形式中,分层损伤作为一种典型损伤破坏模式,将导致复合材料结构在使用过程中的刚度、强度特性随着损伤扩展的发生而逐步下降,并最终导致结构发生失效。纤维桥联作为复合材料分层扩展过程中的一种特有现象,将引起层间断裂韧度随分层扩展长度的增加而增大,从而对分层扩展起到抑制作用。本文以复合材料I型分层扩展试验为基础,综合采用理论分析、损伤断面观察和有限元数值模拟方法,对复合材料I型分层扩展问题进行了深入研究。主要研究内容可以划分为复合材料I型静态分层扩展特性研究和复合材料I型疲劳分层扩展特性研究两个方面。本文的研究工作概括如下第一章中,对复合材料I型分层扩展问题的现有研究方法和研究成果进行了详细的论述。第二章中,对典型铺层方式下的双悬臂梁(Double Cantilever Beam,DCB)试验件进行了设计、加工和制造;在此基础之上,以ASTM D5528试验标准为依据,通过进行复合材料I型静态分层扩展试验,详细讨论了纤维桥联作用下,铺层角度对分层扩展初始断裂韧度和断裂韧度稳定值的影响。研究结果表明:不同铺层方式下的初始层间断裂韧度值相同;层间断裂韧度稳定值与铺层角度密切相关,采用单向铺层DCB试验所得到的层间断裂韧度稳定值偏低,不能真实的表征复合材料的层间断裂特性。针对静态分层扩展中出现的纤维桥联现象,首先,对比分析了典型铺层方式下纤维桥联作用的强弱,明确了铺层方式对桥联应力分布的影响;其次,对比分析了试验件厚度对复合材料层间断裂特性的影响。研究结果表明:多向铺层方式下的桥联应力较单向铺层方式下的桥联应力高,纤维桥联作用在多向铺层中更加明显。随着DCB试验件厚度的增大,层间断裂韧度稳定值呈下降趋势,即纤维桥联作用随着铺层厚度的增大而减弱。第三章中,针对复合材料分层扩展问题,首先详细讨论了不同断裂模式下,复合材料分层扩展过程中的典型断面特征及其形成机理。其次,通过对分层扩展路径及分层扩展断面进行显微镜观察和SEM电镜扫描分析,明确了铺层角度、试验件厚度对分层扩展路径的影响,明确了复合材料I型静态分层扩展中的典型断面特征及断裂机理。在0//0铺层中,分层扩展路径为一条直线;在45//45铺层中,分层扩展路径随着分层扩展长度的增大,在局部区域中呈锯齿形状(Zigzag)。这说明在单向铺层中分层中主要发生层间损伤(Interlaminar damage),在多向铺层分层扩展过程中会同时发生层间损伤和基体材料的面内损伤(Intralaminar damage)。不同铺层方式下,复合材料I型断面的典型特征为纤维/基体界面脱粘产生的纤维压痕(Fibre print)和基体材料中的锯齿形断面(Cusps)。第四章中,首先详细讨论了复合材料分层扩展问题的相关数值模拟方法;针对纤维桥联作用下的静态分层扩展问题,重点介绍了基于线性叠加原理的内聚力本构关系模型及其相关参数的确定方法。然后,以内聚力单元为基础,通过编写ABAQUS材料用户子程序,对纤维桥联作用下的复合材料I型静态分层扩展问题进行了详细的数值模拟研究。研究结果表明:采用基于线性叠加原理的内聚力本构关系模型能够对典型铺层方式下的复合材料分层扩展进行有效预测。第五章中,首先从相似性原理及线弹性断裂力学叠加原理出发,详细讨论了Paris准则中,合理的疲劳分层扩展控制参数选取在试验结果分析中的重要性。针对疲劳分层扩展中的纤维桥联现象,通过合理设计多组疲劳试验,详细研究讨论了纤维桥联作用对疲劳分层扩展的影响。研究结果表明:纤维桥联作用将导致疲劳分层扩展速率显著下降。因而,采用单条Paris曲线不能对纤维桥联作用下的复合材料疲劳分层扩展进行有效描述。在疲劳分层扩展中,与静态分层扩展相类似,同样存在一个稳定的分层扩展状态。针对疲劳试验结果分析中广泛采用的正则化处理方法,通过合理设计疲劳试验,以相关试验结果为依据,详细讨论了该方法的适用性。研究结果表明:相同的分层扩展长度下,静态分层扩展对应的损伤状态与疲劳分层扩展对应的损伤状态明显不同;因而不能直接采用静态分层扩展试验结果对疲劳分层扩展试验结果进行正则化处理。当采用正则化方法对疲劳试验结果进行处理时,应保证两种载荷作用下对应的损伤状态相同或者相似。第六章中,首先以第五章疲劳分层扩展中纤维桥联作用的研究为基础,通过对不同纤维桥联作用下的Paris曲线进行分析,提出一种新的疲劳分层扩展预测方法;采用该方法能够对纤维桥联作用下的复合材料疲劳分层扩展进行准确预测。其次,对疲劳分层扩展断面进行了SEM电镜扫描分析;观察结果表明:复合材料I型疲劳分层扩展断面的典型特征与静态分层扩展断面的典型特征相同,但疲劳断面较静态断面要光滑。本文对静态和疲劳载荷作用下的复合材料I型分层损伤扩展问题进行了深入研究。研究中以DCB分层扩展试验为基础,通过对试验件进行断面分析和分层扩展路径分析,明确了复合材料I型分层扩展的损伤机理。针对分层扩展过程中广泛存在的纤维桥联现象,详细的讨论了纤维桥联对复合材料I型分层扩展的增韧机理。针对静态分层扩展问题,以内聚力单元为基础,建立了纤维桥联作用下的分层扩展预测模型,采用该模型能够有效的对纤维桥联作用下的分层扩展进行预测。针对疲劳分层扩展问题,首先详细讨论了纤维桥联作用对复合材料疲劳分层扩展的作用机理;在纤维桥联作用研究基础之上,提出来一种新的疲劳分层扩展预测方法,采用该方法能够有效的对纤维桥联作用下的疲劳分层扩展进行预测。