颗粒增强金属基复合材料以其优良的力学性能,在工业和航空航天等领域有着广泛的应用。由于此类复合材料具有复杂的微细观结构,实验和细观力学方法对其进行力学性能研究时存在一定的限制,有限元方法因能对接近实际微细观结构的代表体元模型求解数值解,因此具有更大的优势。以真空无压烧结法制备的氧化锆增韧氧化铝颗粒（ZTAp）增强铁基复合材料（ZTAp/Fe45）为研究对象,对颗粒增强复合材料高体积分数几何模型的参数化建模算法,基体缺陷、非理想界面和细观结构特征对力学性能的影响,断裂机理等方面进行了探索和研究,获得以下研究结果。（1）以通用有限元软件ABAQUS为基础,采用Python语言作为工具,实现了若干种单胞模型和随机分布模型的参数化建模,并将所编写程序封装为具有操作界面的插件,使操作更便捷和用户界面更友好,方便软件的分发和扩展。针对球状颗粒,采用扰动算法,可实现高达80vol%体积分数的代表体元的构建;通过Voronoi图形和第一第二最近距离对颗粒的分布进行统计分析,表明所构建模型中的球形颗粒分布较为均匀。为实现不规则形貌ZTA颗粒的高体积分数投放,开发了一种刚性颗粒空间压缩法,能实现高达50vol%体积分数的不规则ZTA颗粒三维代表体元的快速构建。该方法利用颗粒之间的相互作用力避免颗粒干涉的发生,因此具有编程相对容易、投放效率高、体积分数相对较大和适应多种颗粒形貌的特点,可适用于球状、椭球状和不规则状等形状。（2）基于本文所开发的建模算法,构建了颗粒体积分数10～50vol%的ZTAp/Fe45复合材料三维代表体元模型,采用有限元方法计算了ZTAp/Fe45复合材料的有效弹性性能,并和细观力学解进行了对比研究。网格敏感性分析表明,在不同的Le/Lp值的情况下,模型的网格数量差异较大,但是计算得到的杨氏模量结果却较为接近,说明弹性性能计算结果对网格尺寸敏感性较弱,合适的网格密度可通过对比计算结果的应力云图进行选择。为保证代表体元模型具有稳定的统计特征,减少颗粒分布随机性引起的误差,代表体元中的颗粒数量不应低于30个。有效弹性性能计算结果表明,不规则颗粒对有效弹性性能的增强效果优于球状颗粒;颗粒体积分数的增加使得弹性模量和切变模量增加;有限元解与细观力学解析解较为吻合,说明本文所构建模型较为准确。（3）采用两步均匀化方法,基于断裂带模型和内聚力模型,以20vol%颗粒体积分数ZTAp/Fe45复合材料为例,分析了基体孔隙和界面性能对复合材料力学性能的影响规律。结果表明:基体孔隙对ZTAp/Fe45复合材料力学性能有较大影响。ZTAp/Fe45的杨氏模量随着孔隙率的提升呈线性递减的特点;抗拉强度与孔隙率呈非线性的递减关系。当低孔隙率较低时,抗拉强度下降显著;当孔隙率较高时,抗拉强度性能下降速率有所降低。界面模量的提升使得ZTAp/Fe45复合材料杨氏模量显著增加,但随着界面模量增加到颗粒模量的0.5倍之后,复合材料模量的增加逐渐趋缓。界面模量的增大使得ZTAp/Fe45复合材料抗拉强度逐渐降低,随着界面模量的增大,抗拉强度呈现下降趋势。在界面强度小于颗粒强度的0.5倍之前,随着界面强度的增加ZTAp/Fe45复合材料的抗拉强度逐渐增大,但当界面强度大于颗粒材料强度0.5倍之后,复合材料抗拉强度趋于平稳,约为302MPa。界面强度的改变使得ZTAp/Fe45复合材料的损伤机理发生了转变,界面强度低于颗粒强度0.5倍的情况下,复合材料的损伤以基体和界面为主;当增加到0.5倍之后,损伤以基体和颗粒为主,界面强度仅能在一定程度上提升复合材料的整体强度,当界面强度接近颗粒强度之后颗粒对复合材料强度的强化作用开始减弱。因此,应严格控制基体的孔隙,提高基体的致密度。界面弹性模量及强度约为颗粒相关属性0.5倍时对提高复合材料的弹性模量和强度较为有利。（4）基于二维代表体元分析了颗粒体积分数、形貌和尺寸等细观结构特征对ZTAp/Fe45复合材料力学性能的影响规律。在较低颗粒体积分数（小于30vol%）的情况下,ZTAp/Fe45复合材料的裂纹主要位于基体,因此强度主要由基体强度决定;在颗粒体积分数较高（≥40vol%）的情况下,ZTAp/Fe45复合材料的裂纹主要由界面裂纹组成,因此强度主要由界面强度决定。在非理想界面的情况下,颗粒体积分数的不同导致单位面积界面长度的差异使得决定ZTAp/Fe45复合材料的抗拉强度的主导因素发生了转变。颗粒纵横比的增长伴随着复合材料强度的下降,增强颗粒的纵横比越接近于1,复合材料的强度越高,等轴颗粒模型计算得到的复合材料强度最高。相同纵横比的情况下椭球形颗粒模型的强度高于不规则颗粒模型。因此在实际的复合材料制备中尽量选取等轴颗粒。在体积分数相同和界面性能一致的情况下,对于毫米级别（0.5～2mm）的颗粒,颗粒尺寸不足以影响复合材料的弹性性能,颗粒尺寸越小ZTAp/Fe45复合材料抗拉强度越小。（5）通过构建二阶单元加双零厚度内聚力单元的有限元—离散元耦合方法（FEM-DEM）网格模型,分析了ZTAp/Fe45复合材料的断裂机理。单元尺寸敏感性分析结果表明,随着网格划分的加密,一阶和二阶两种模型计算所得的弹性模量值均逐渐趋于稳定,实体单元的阶次对弹性模量计算结果的影响较小。细观应力场分析表明,采用二阶实体单元加双零厚度内聚力单元模型能够降低应力分布对单元尺寸的敏感性,其应力云图的连续性优于一阶实体单元加单零厚度内聚力单元模型,应力过渡平滑,避免了一阶模型出现的锯齿状区域,以及裂纹尖端塑性区是单元面积整数倍的现象,解决了一阶模型需要极其细密的网格才能解决的尺寸敏感性问题。从数值模拟的角度分析了ZTAp/Fe45复合材料在承受拉伸载荷时的裂纹扩展过程。颗粒形状对颗粒增强金属基复合材料裂纹的扩展会产生较大的影响,复合材料的开裂首先在与受力方向垂直的界面处发生,界面裂纹扩展至基体应力集中处之后基体发生开裂,复合材料裂纹由开裂的界面和基体裂纹共同组成。