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随着能源环境问题的日益凸显,节能降耗成为汽车发展面临的主要问题。85%的汽车油耗都是用于汽车自重,而车身重量约占自重的40%,所以实施车身轻量化是节能减排最直接有效的方法。原位合成法制备的纳米颗粒增强铝基复合材料因高比强度、比模量和良好的强韧性等优点,在车身材料领域具有广阔的应用前景。然而,原位纳米颗粒增强铝基复合材料属于多相多尺度材料,力学性能的影响因素复杂,仅依靠实验对其设计和制备存在一定困难。因此,本研究建立了原位纳米颗粒增强铝基复合材料力学性能的宏观数学模型与微观有限元模型;结合模型的预测结果,设计并制备了相应组成的复合材料,研究其力学性能,探明了实验值与预测值偏差的起因并对模型进行优化;开展了复合材料单轴拉伸过程的有限元模拟,研究其应力-应变响应与应力应变场分布,模拟组织与性能的关系,揭示复合材料的微观变形特征。具体研究内容和结论如下:建立了原位纳米颗粒增强铝基复合材料力学性能的宏观模型。采用不同模型预测原位纳米ZrB2/AA6111复合材料的弹性模量,并与实验值作对比,结果表明:几种模型的预测值均随着颗粒体积分数的增加而增加;使用Hashin-Shrikman模型预测弹性模量时,颗粒体积分数不得低于Em/2Ep,不适用于原位纳米颗粒增强铝基复合材料;Halpin-Tsai模型的预测值与实验值最为吻合,最大偏差值不超过3%,准确性高。采用线性叠加的方式耦合了细晶强化、热错配强化、Orowan强化和承载强化四种强化增量,建立了复合材料屈服强度的复合强化模型,预测了原位纳米ZrB2/AA6111复合材料的屈服强度,并与实验值作对比,结果表明:预测值和实验值均随着颗粒体积分数的增加而增加,随着颗粒尺寸的增大而减小,但两者的差值较大,为60 MPa240 MPa。通过耦合微观断裂机制与宏观断裂性质,并关联弹性模量模型,建立了复合材料的断裂韧性模型,预测了原位纳米ZrB2/AA6111复合材料的断裂韧性,并与实验值作对比,结果表明:断裂韧性预测值和实验值均随着颗粒体积分数的增加而减小,在高颗粒体积分数时,预测值与实验值的偏差迅速增大,表明高体积分数的复合材料在较低应变时就易发生断裂失效。建立了原位纳米颗粒增强铝基复合材料的有限元模型。采用ANSYS Parameter Design Language（APDL）方法建立了包含多个原位纳米颗粒的三维随机分布单胞模型;通过计算得到了非线性等向强化模型的参数,为104、-19、109和11;选择Solid 185和Solid 187四面体单元自由划分基体和增强体网格;施加自由度耦合约束的边界条件和位移载荷。开展了原位纳米颗粒增强铝基复合材料屈服强度模型的优化研究,并对其单轴拉伸行为进行了有限元分析。模型优化结果表明:引入有效体积分数修正模型后,预测值与实验值的差值显著降低,大小为3 MPa14 MPa,仅为未修正模型的1/20;通过比较不同强化增量的占比,探明了CTE强化增量对本文中的复合材料的屈服强度增量贡献最大。有限元模型的验证结果表明:原位纳米ZrB2/AA6111复合材料屈服强度的实验值（138.7 MPa）与模拟值（145.6 MPa）的偏差约为5%,而抗拉强度的实验值（219 MPa）与模拟值（221MPa）的偏差仅为0.9%,证实了本文建立的有限元模型具有较高的准确性。有限元模拟的分析结果表明:复合材料单轴拉伸下的应力-应变响应与颗粒体积分数、尺寸有关,其强度随着颗粒体积分数的增加而增大,但随着颗粒尺寸的增大而减小;同时揭示了增强颗粒会引起复合材料内部微观应力、应变场分布不均匀,高模量的增强颗粒能承受较高的载荷,并在颗粒周围产生应力集中区,导致该部分基体承受过大的应力而开裂失效;随着颗粒体积分数的增加和颗粒尺寸的降低,颗粒承担的应力增大,颗粒间的基体承受的应力增大,且材料内的低应变区域也增大。