平纹陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMCs)作为一种新型的耐高温结构材料,在高推重比航空发动机、液体和固体火箭发动机、空天飞行器热防护系统、核反应堆和高速刹车系统等领域具有广阔的应用前景。平纹CMCs的宏观性能表征与微观和细观结构密切相关,其非线性力学行为由微观和细观组分材料的损伤发展所致,因此为确保平纹CMCs在热端部件中的可靠应用,有必要开展其力学行为的微观-细观-宏观多尺度模型研究。本文围绕多尺度建模问题,以平纹SiC/SiC(碳化硅纤维增韧碳化硅基体)陶瓷基复合材料和C/C-SiC(碳纤维增韧碳-碳化硅双重基体)陶瓷基复合材料为研究对象开展了以下的研究:(1)设计并开展了平纹SiC/SiC复合材料的室温拉伸、压缩、面内剪切和高温拉伸试验,获得了材料在不同加载条件下的应力-应变行为。借助扫描电镜对试验件断口的观察,分析了相应的损伤失效机理,阐释了偏轴试验件在复杂应力状态下材料主方向上的损伤耦合效应。着重对比分析了材料在室温和高温(1200℃)环境下的拉伸损伤力学行为,以及高温氧化对材料断裂强度的影响。试验结果表明,复杂应力状态下的损伤耦合效应加快了材料的损伤演化速率,并使得材料的损伤失效模式由轴向拉压失效模式转变为拉剪和压剪耦合失效模式;材料高温(1200℃)环境下呈现韧性断裂,由于界面层在一定程度上被高温氧化,从而产生较长的纤维拔出长度。(2)开展了平纹SiC/SiC复合材料拉伸、压缩和面内剪切实体元多尺度模型研究。针对平纹SiC/SiC复合材料内部复杂的微观和细观结构特征,采用多尺度分析方法,先基于微观结构的观测信息对组分材料的力学性能进行预报,再基于细观结构的观测信息建立单胞几何模型。通过Abaqus用户子程序USDFLD二次开发嵌入了组分材料力学性能。该模型采用周期性边界条件来确保单胞边界面上应力和位移的连续性。模拟了平纹SiC/SiC复合材料单胞模型在经向拉伸、压缩和面内剪切载荷作用下的非线性应力-应变响应和损伤演化过程,分析了其破坏机理,并与试验结果进行了对比。结果表明,多尺度分析方法适用于平纹CMCs的非线性力学行为的模拟和预测,虽然应力-应变曲线与试验曲线存在一定差异,但较好的预测了弹性模量和破坏强度等力学性能指标。(3)以双组元模型理论为基础,发展了平纹C/C-SiC复合材料热力作用非线性双组元模型。根据热力耦合本构方程和稳态传热控制方程,基于等效介质单元和纤维束单元的热力学性能对平纹C/C-SiC复合材料单胞双组元模型采用耦合单元类型进行了耦合传热计算。在材料厚度方向存在温差的边界条件下,预测了材料整体热导率的退化曲线并分析了其内部热量传输机理。进而采用该模型研究了纤维束随机波动对材料刚度与强度的影响。基于纤维束路径随机化描述建立了基于参考周期的纤维束波动统计分析方法,计算得到了统计特性参数。针对单元局部坐标系创建过程中存在的困难,开发了Python脚本,构建了纤维束随机波动模型。通过算例分析,验证了双组元模型的准确性和高效性。本文的研究有助于揭示平纹CMCs在不同加载条件下的损伤力学行为,解决其多尺度建模相关问题,进一步丰富其力学行为分析模型,为优化材料制备工艺和促进其工程应用提供有效分析手段。