石墨烯/金属基复合材料具有优异的力学、电学及导热性能,在航空航天、轨道交通、电子器件等领域具有广泛的应用前景。其中,高强高韧的石墨烯/铝(Graphene/aluminum,Gr/Al)复合材料受到了国内外学者的热切关注。目前,Gr/Al复合材料微观结构的形成机理及其对力学性能的影响机制尚未得到充分的研究。实验观测与计算机模拟是两种常用的研究方法,但仅利用实验手段难以从微观层次研究材料微观结构演化的特征。因此,采用计算机模拟方法探究Gr/Al复合材料中微观结构的形成过程及其与力学性能之间的关联性,对于复合材料设计与制备工艺控制具有重要的指导意义。本文首先采用分子动力学方法模拟了Gr/Al复合材料的热处理加工过程,分析了扭转晶界微观结构的形成及演化机理,探究了晶粒微观结构对复合材料拉伸、压缩力学性能的影响。为了扩大Gr/Al复合材料的模拟规模,提出了耦合分子动力学与近场动力学的多尺度算法。主要研究内容包含以下个三部分。(1)建立Gr/Al复合材料的初始模型,采用分子动力学方法模拟了复合材料的热处理过程。通过观察铝基体的重结晶过程,发现石墨烯片导致铝基体内产生扭转晶界,并对扭转晶界的形成机理和结构特征进行了分析。接着,模拟了含扭转晶界的Gr/Al复合材料在单轴拉伸载荷下的力学行为,讨论了复合材料的屈服与塑性变形行为随扭转晶界角度的变化规律,揭示了扭转晶界对位错形核与传播机制的影响机理。(2)建立了石墨烯/多晶铝复合材料分子动力学模型,研究了晶粒尺寸对Gr/Al复合材料单轴压缩力学行为的影响。对比纯铝与复合材料的计算结果,探究了石墨烯的强化作用。接着,研究了晶粒厚度与平均大小对复合材料力学性能的影响,分析了复合材料的应力-应变关系及位错滑移模式。发现了因塑性变形梯度产生的几何必须位错,并探讨了相伴而生的背应力强化效应。(3)发展了Gr/Al复合材料的分子动力学/近场动力学(MD/PD)耦合多尺度算法,提出了适合交叠区域原子与物质点间的位移耦合条件,根据拉格朗日乘子法推导了交叠区域粒子的运动方程,并对粒子的运动方程进行数值离散。接着,通过一维波传播算例与三维裂纹扩展及弯曲算例验证了多尺度算法的可行性。基于建立的多尺度算法,研究了铝基体及Gr/Al复合材料的裂纹扩展过程。