提高炉衬寿命是降低耐火材料消耗的主要途径之一，数值模拟则是研究如何提高其寿命的重要方法。然而，耐火材料自身的微观非均质性所产生的复杂非线性力学行为以及损伤形式，使传统的数值模拟技术和强度评价方法难以适用，这成为制约该项技术推广和应用的瓶颈。因此，研究耐火材料力学行为的损伤破坏机理，预测炉衬材料的损伤形式，以及解决该类结构强度分析中缺乏适用于材料自身的本构关系和强度准则的难题，对提高炉衬结构的使用寿命具有十分重要的意义。本文以镁碳质耐火材料为研究对象，从材料的细观力学建模、以声发射试验为核心试验手段的微观损伤试验表征和细观损伤力学模型的有限元嵌入三个方面对炉衬耐火材料的力学行为进行了系统的研究。论文的主要工作包括如下内容：1、运用改进的广义自洽算法对镁碳质耐火材料进行了力学性能估算针对基质相成分不同对镁碳质耐火材料宏观力学性能的巨大影响，采用改进的广义自洽算法，从其显微结构和组成两个方面探讨了材料宏观性能存在差异的原因，发现耐火材料基质相的性能对材料宏观性能影响很大，为评估耐火材料整体力学性能提供了一种全新的思路。2、提出了一种模拟耐火材料非线性力学行为拉压非对称损伤特性的算法在了解材料组分影响及其损伤形式的基础上，将细观力学方法应用于耐火材料非线性力学行为研究中。基于广义自洽模型，对材料的拉压损伤过程分别提出物理假设：受拉过程中，基质逐步与气孔融合形成二次基质相，与此同时进行，颗粒逐步被二次基质相“吞噬”；受压过程中则只有基质与气孔融合过程，而颗粒保持不变。借助改进的广义自洽算法对材料在受拉压载荷下的损伤过程进行了数值模拟，模拟的结果可以较好地与试验结果相吻合，证明了本假设的合理性。该方法避免了在实际操作过程中的复杂损伤判别过程，为耐火材料损伤行为的研究提供了一条崭新的思路。3、提出了一种定量表征耐火材料损伤程度的界面相损伤模型在基质相与颗粒相之间假想存在一层带有厚度的界面相，建立基于界面损伤的耐火材料损伤本构关系用以描述损伤演化过程。在常温损伤模型的基础上，考虑温度因素，得到包含温度效应的界面损伤模型并以子程序形式嵌入至有限元本构模型中。借助界面相损伤模型，可以直观得到界面损伤程度对材料宏观性能的影响，简化了传统弹簧模型的计算过程，搭建起细观界面与宏观性能之间的桥梁，在研究方法上为耐火材料的损伤行为研究提出了新的思路。4、提出了基于信号分析方法的耐火材料损伤特征提取对材料进行了力学性能测试并利用信号分析的方法对材料的损伤进行了试验表征。分别采用小波能谱系数法实现耐火材料的损伤模式识别和功率谱分析法实现对材料损伤程度的表征。将材料的损伤过程划分为三个阶段并提取了信号的质心能量作为表征损伤的特征参数，该参数将作为损伤函数表达式的输入，嵌入至细观损伤本构力学模型中。该处理方式解决了传统声发射数据处理方式中从时域入手简单描述损伤的限制，从损伤分类以及损伤程度两个方面对耐火材料损伤行为进行了定量试验表征。5、建立了耐火材料细观损伤力学模型借助理论建模部分与试验表征部分的研究成果，建立了耐火材料细观损伤力学模型：采用与试验表征相同的损伤阶段划分，提出并定义代表材料损伤程度的损伤函数，并以特征能量作为损伤函数输入量利用有限元软件ABAQUS自带子程序UMAT，将损伤本构模型程序化并嵌入数值计算中；同时，将考虑温度效应的界面损伤模型以场变量的形式附加到常温损伤本构模型之上。计算结果表明，模型在材料单元压力响应方面与试验值具有良好的一致性，而在预测材料三点弯曲的抗折模量和抗折强度方面与试验值相差较大，主要原因在于未考虑受拉情形的损伤本构关系。该方法综合了理论与试验的结果，使耐火材料力学损伤行为的研究呈现出系统性与一致性，为材料损伤行为的研究奠定了基础。