碳纤维增强型复合材料具有轻质高强、性能可设计等特点,已被广泛应用于航空航天、交通、能源和国防等领域。碳纤维复合材料成型方法各异,其中,自动纤维丝束铺放技术,简称自动铺丝技术,由于其具有曲面结构适应性好、可实现变角度铺放、成型效率高等优势,是近几年发展最快的高效复合材料全自动化制造技术之一。然而,铺丝过程中丝束结构、缺陷行为特性具有多尺度效应,且多尺度力学特性参数、缺陷特性参数与铺丝工艺参数间耦合作用较强,难以获得准确的工艺优化目标及其范围。为了通过多尺度特征协同对工艺参数进行优化,实现复合材料的低缺陷、高质量制造,需针对铺丝过程中预制件多尺度力学特性和缺陷行为特性、多尺度间能量传递机制、铺丝成型的多尺度协同工艺参数优化等方面开展深入研究。本文从铺丝过程预制件的宏细观力学特性研究出发,采用复合材料细观损伤力学等理论,建立了缺陷与应力特性参数的关系模型,验证了利用应力特性参数评价缺陷特征的可行性;根据材料粘弹性力学,建立了预制件的非线性粘弹性本构模型,采用有限元二次开发方法,构建了粘弹性预制件的随机缺陷模型,探究随机缺陷与应力波传播特征之间的关系。为了获得铺丝过程中工艺载荷对应力波传播特征、宏细观能量的影响规律,根据自动铺丝工况条件,建立了自动铺丝过程有限元热力耦合动力学模型,分析不同铺丝工艺参数下的应力波及其传播特征参数、总应变能、细观应变能等力学特性,揭示了工艺参数对宏细观力学特性的作用机制,为明确应力波信号的测试位置和建立微观界面分析的能量边界条件提供理论基础。为实现多尺度间的能量传递,根据串、并行多尺度分析方法和Olson嵌套式关系,提出了反串行嵌套式多尺度分析方法;结合复合材料细观有限元法和均匀化思想,构建了多尺度能量传递模型。采用分子动力学法,建立了预制件的微观界面分子模型,并对模型进行退火弛豫模拟,以增强模型的稳定性;通过计算模型的弹性力学参数,评价了模型的准确性。根据不同工艺参数下的分子动力学模拟,分别研究微观界面粘性、基体沿界面的流动性、界面能量结构、界面吸附性与工艺参数之间的关系。采用热力学熵焓理论,获得了微观力学参数与微观界面系统中熵焓值之间的关联性,并得到了微观力学参数在低熵区的合理范围,为工艺优化中微观优化目标约束条件的确立提供了依据。为了验证上述有限元仿真分析结果的准确性,定量评价缺陷与力学特性之间的关系,以自动铺丝实验为研究手段,根据铺丝仿真参数和边界条件,设计和规划实验方案和流程;将铺丝仿真和实验测试得到的温度场和应力波传播特征进行对比,验证了铺丝过程有限元仿真的准确性。采用真空袋法对预制件进行固化,根据固化后离线检测和固化前后超声波A扫测试,得到了固化前后不同工艺参数下的缺陷率,分析了缺陷率与工艺参数、应力波传播特征之间的关联特性,验证了含有缺陷的有限元模型的准确性,并利用扫描电镜评价不同缺陷的微观形态;采用材料万能试验机,测试得到了不同工艺参数下构件的层间剪切强度和弯曲强度,并探究其对缺陷率的响应特性,获得了力学性能优化目标的确切范围。在以上研究的基础上,本文根据多尺度分析方法,结合数学解耦策略,提出了一种面向铺丝构件多尺度力学特性的协同工艺优化方法。为了简化优化流程,并评价优化目标的重要程度,采用灰色关联分析方法,探究不同工艺参数与多尺度力学特性参数、缺陷特性参数之间的相关性,剔除了关联性小的优化目标;根据层次分析法,构建了多尺度层次关系结构模型和多目标优化的层次关系结构模型,以评价不同特征参数对多尺度层次的贡献和优化目标之间的关系,并通过层次权重分析,得到了优化目标参数的重要程度,从而获得工艺参数优化的重要初始条件和约束条件。基于多目标响应面优化法,对铺丝工艺参数进行优化,通过对比仿真和实验,验证了最优工艺参数作用下多尺度参数间的协调性及综合性能。