碳纤维增强复合材料由于具有优异的力学性能以及可设计性,目前广泛应用于航空航天、土木、汽车等领域,因此其力学性能表征以及复合材料结构的力学行为预测成为复合材料研究的热点。相比于实验方法,数值方法具有预测效率更高、更加经济、更适应于材料的设计等优点,且由于复合材料是非均质材料,因此构建复合材料多尺度分析方法并研究不同因素对复合材料性能的影响具有重要理论意义和应用价值。为了完成碳纤维增强复合材料从低阶尺度到高阶尺度的损伤失效分析,本文围绕着单胞模型建立方法、等效力学性能预测方法以及跨越宏-细-微观三个尺度的多尺度分析方法等方面开展研究。在此基础上,重点研究了碳纤维增强复合材料在不同尺度下的拉伸损伤失效过程,为碳纤维增强复合材料的结构设计和强度评估提供参考依据以及方法。具体的研究内容包括:（1）改进了用于生成纤维随机分布单胞模型的随机摄动方法,并基于单胞的有限元模型,发展了一种考虑孔隙几何形状的孔隙生成方法。使用有限元方法对所生成的微观单胞模型进行等效弹性参数预测,从而揭示纤维分布模式、纤维截面形状、孔隙等微观结构特征对单向复合材料弹性参数的影响。研究结果表明,纤维分布模式和纤维截面形状对材料纵向力学性能影响较小,但是对横向力学性能影响很大。孔隙对材料纵向杨氏模量影响很小,但是对其他的力学性能参数影响较大。（2）基于纤维随机分布的二维单胞模型,使用显式动力学分析方法,研究了纤维截面形状、孔隙形状以及热残余应力对单向复合材料横向拉伸损伤失效过程以及等效强度的影响。研究结果表明,齿轮形纤维抑制了纤维和基体界面的脱粘,从而对横向拉伸强度有增强的作用。在考虑孔隙后,基体塑性变形和损伤对横向裂纹萌生的贡献越来越大。在考虑热残余应力后,模型横向裂纹的萌生主要是由基体损伤引起的,且具有不同纤维截面的单胞模型等效强度变得非常接近。（3）使用分等级多尺度方法预测了一种斜纹编织复合材料的等效拉伸性能,并揭示了微观纤维分布模式对等效拉伸性能预测结果的影响。研究结果表明,模型的初始损伤是由纬向纤维束在横线拉伸荷载作用下引起的基体损伤。不同的微观纤维分布导致纤维束具有不同的横向弹性模量和拉伸强度参数,从而预测得到不同的编织复合材料拉伸性能。然后使用聚类分析方法改进了基于微观力学失效理论的多尺度分析方法,使得在使用该多尺度方法进行编织复合材料性能预测时,能够考虑更加复杂的微观结构特征,扩展了此多尺度方法的应用范围。使用改进的基于微观力学失效理论的多尺度方法,再次预测了编织复合材料等效拉伸性能,并揭示不同纤维分布模式对微观损伤失效过程的影响。研究结果表明,由于纤维随机分布单胞模型内纤维间距小于纤维六边形分布的单胞模型,从而导致基于纤维随机分布单胞模型的基体损伤起始应变远小于基于纤维六边形分布单胞模型的结果。（4）发展了一种用于预测编织复合材料等效弹性参数的理论分析方法,然后构建了一种基于微观力学失效理论的跨越三个尺度的多尺度分析方法,实现了编织复合材料结构的宏-细-微观多尺度损伤失效分析。通过含孔编织复合材料层合板的拉伸损伤失效模拟以及编织复合材料层合板的冲击损伤失效模拟,发现使用此多尺度方法不仅可以预测复合材料结构的力学行为,而且可以揭示细观和微观尺度下的损伤状态,从而验证所发展的跨越三个尺度多尺度分析方法的有效性。