相较于铺层复合材料,三维机织复合材料特殊的空间结构使其具有更优越的抗分层和抗冲击性能,被广泛地应用在航空、航天等诸多领域。然而,也正是由于这种特殊的空间结构,三维机织复合材料具有非常复杂的损伤机理,这给三维机织复合材料性能的准确表征和仿真研究带来了严峻挑战。本文通过调研复合材料相关的文献发现,目前对复合材料的面外性能研究仍主要集中于铺层复合材料,针对三维机织复合材料面外性能的试验方法、损伤机理研究方法和仿真方法仍不完善。此外,三维机织复合材料在不同失效模式下的关键性能参数也缺乏合理的获取方法。这些问题对三维机织复合材料在工程领域的推广应用造成了阻碍。针对上述问题,本文对三维机织复合材料在面外载荷下的关键参数表征方法、损伤机理研究方法和损伤行为仿真方法展开了研究。本文的主要研究内容如下:提出了一种可以获取三维机织复合材料界面断裂韧性和纤维束横向断裂韧性的细观尺度原位方法。该方法使用的试件直接取自三维机织复合材料板,内部包含典型的原位界面和纤维束结构,可以反映材料的真实性能。试件选用紧凑拉伸的形式。通过对试件厚度、切割面、切割位置和切口尖端位置的特殊设计,使试件出现了相对单一的失效模式和可控的裂纹扩展路径。使用面积法计算得到了三维机织复合材料的纤维束横向断裂韧性和界面断裂韧性。讨论了试件尺寸和断裂韧性计算方法对纤维束横向断裂韧性测量值的影响。此外,通过仿真,讨论了基体塑性对界面断裂韧性测量值的影响。基于细观尺度原位方法,提出了一种获取三维机织复合材料界面法向强度的试验-仿真方法。试件的原位切割和特殊的薄片形结构设计,使得其内部包含典型的三维机织复合材料原位界面结构,并出现了以界面脱粘为核心的失效模式。在试验过程中,使用细观尺度DIC技术获取了试件表面的应变分布规律。通过对比仿真模型预测的试件表面应变分布与细观尺度DIC的测量结果,验证了仿真模型的几何建模和弹性输入参数的准确性。通过试验和仿真结果的对比,确定了三维机织复合材料的界面法向强度,并讨论了几何建模精度、网格尺寸和界面参数对仿真结果的影响。此外,基于细观尺度原位方法初步确定了三维机织复合材料的界面剪切强度。提出了一种集成显微镜观测技术、多尺度DIC技术和CT原位试验技术的试验方法,揭示了三维机织复合材料在短梁剪切载荷下的复杂损伤演化规律。使用显微镜观测了短梁剪切试件的表面损伤过程和最终的失效形貌,对短梁剪切试件纤维扭结现象的成因做出了解释。使用多尺度DIC技术,获取了试件表面的整体和局部的应变分布规律,从应变分布的角度解释了试验中大量出现的界面脱粘和纬纱横向开裂的原因。最后使用CT原位试验技术,明确了试件的载荷-位移曲线出现非线性段,以及在试验后期承载能力下降的原因。不同的观测手段获取的信息相互补充和印证,有利于深入理解三维机织复合材料在短梁剪切载荷下出现的复杂损伤机理。提出了一种考虑界面脱粘、纤维扭结、纤维束横向开裂和基体塑性等多种失效模式耦合的渐进损伤模型。基于三维机织复合材料典型截面的显微照片,建立了包含纤维束、基体和界面的短梁剪切试件全尺寸几何模型。仿真模型以使用细观尺度原位方法获得的材料性能参数作为输入,预测了三维机织复合材料在短梁剪切载荷下的力学性能和损伤演化过程。仿真模型预测的名义刚度、最大载荷、载荷-位移曲线变化趋势和不同阶段的损伤分布情况与试验观测结果具有良好的一致性,验证了仿真模型和通过细观尺度原位方法获取的参数的准确性。最后,讨论了界面剪切断裂韧性对仿真结果的影响。