陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites,简称CMCs）以其优异的高温综合力学性能和经济效能,在高性能航空发动机中展现出了广阔的应用前景,是突破航空发动机性能瓶颈的关键技术。通过计算机仿真,可以充分发挥CMCs的可设计性优势,提高CMCs结构的综合力学性能,缩短产品设计周期降低研发成本,从而加速CMCs结构在航空发动机中的应用。然而现阶段尚未形成完整的CMCs结构设计理论体系,其主要原因是缺乏CMCs基本承力单元（陶瓷基纤维束复合材料）的各向异性力学模型,CMCs结构的失效仿真方法不完善。在此背景下,本文提出了陶瓷基纤维束复合材料各向异性力学行为测试方法,设计了圆柱形和薄片形两种结构的测试试样,研制出试样的装夹和加载装置,并配套开发出试验数据采集硬件和软件。实现了陶瓷基纤维束复合材料在轴向拉伸、横向拉伸以及面内剪切载荷下的力学测试,获得了相应载荷下的非线性响应、弹性模量和失效载荷等关键力学数据,解决了陶瓷基纤维束复合材料各向异性力学行为测试难题,为损伤机理研究和力学模型的构建与校验奠定了基础。设计了亚微米X射线计算机层析成像（X-Ray Computed Tomography,简称XCT）原位试验方法和光学原位试验,通过综合运用原位试验、数字图像相关、声发射和失效断口观察技术,全方位地研究了陶瓷基纤维束复合材料的各向异性损伤特性。动态还原了陶瓷基纤维束复合材料在轴向拉伸、横向拉伸以及面内剪切载荷下的损伤过程。揭示了陶瓷基纤维束复合材料的各向异性损伤机理,探明了纤维和基体承载作用的方向性。建立了基体裂纹密度与声发射累积能量之间的定量关系,提出了一种基于声学技术的基体裂纹密度测量方法。采用先进的同步辐射光源和微焦点XCT三维重构技术,解决了陶瓷基纤维束复合材料精细三维细观结构的建模难题。分析了材料细观结构中的孔隙类型及分布特征,提出了孔隙影响规律的数值分析方法,揭示了孔隙类型、孔隙含量、孔隙分布以及组分体积含量对陶瓷基纤维束复合材料弹性性能的影响规律,建立了陶瓷基纤维束复合材料高精度各向异性弹性本构模型。模型的平均计算误差对轴向拉伸弹性模量为7.36%,对横向拉伸弹性模量为3.87%,对纵向剪切弹性模量为4.21%,对横向剪切弹性模量为1.39%。采用一组标量损伤变量表示各向异性损伤状态并建立了对应载荷状态下的损伤演化模型,通过建立基体裂纹密度演化模型对损伤状态进行计算,使损伤变量的物理意义更加明确。考虑基体体积含量变化对损伤演化过程和基体裂纹密度的影响,采用损伤力学方法解决了陶瓷基纤维束复合材料各向异性非线性本构建模问题。本文提出的模型对陶瓷基纤维束复合材料轴向拉伸非线性响应的最大误差为3.91%,对横向拉伸非线性响应的最大误差为7.84%,对面内剪切非线性响应的最大误差为7.51%。以XCT三维重构技术为基础,发展了一种编织CMCs细观结构的高精度建模方法。通过提出的交互式组分识别以及多次迭代的网格重建方法,成功建立了真实编织结构的细观有限元模型。本文方法所得模型网格数量是传统体素化模型的6.04%,解决了XCT细观有限元模型计算量过大的问题。在此基础上采用渐进损伤分析方法,考虑陶瓷基纤维束复合材料力学行为的各向异性,建立了编织CMCs结构失效分析的多尺度模型。模拟了剪切载荷下编织CMCs切口结构的宏观应力-应变响应,细观应变场分布和演化,基体裂纹的分布和演化,以及细观结构的破坏过程。试验结果验证了本文提出的编织CMCs结构失效模拟方法的有效性。