复合材料作为一种新兴材料被广泛运用于各种行业,如航天领域、汽车工业领域和民用生活用品领域等,而碳纤维作为复合材料中使用最为普遍的一种,由于其优异的综合性能,更加受到青睐。随着复合材料的快速发展与应用,越来越多的复合材料制品被用于条件恶劣的环境中,比如现实生活中最常见的湿热环境。长期处于湿热环境下的复合材料,如碳纤维管道、复合材料存储气瓶等,材料内部会产生湿热应力,发生老化现象,从而破坏材料内部性能,降低材料抵抗外来破坏载荷的能力。碳纤维复合材料层合板长期处于湿热环境中也会导致内部结构发生改变,降低使用寿命,因此有必要研究湿热环境对复合材料力学性能的影响,从而采取一定的防护措施。本文主要以弹性力学、损伤力学和经典层合板理论为基础,研究方法是以实验与仿真相结合。实验以国产碳纤维(CCF300)/环氧树脂(5228)层合板为实验对象,包括三个模块。首先是材料基本性能参数测定实验,通过手动铺层制备实验试样,按照相关实验标准进行测试,得到材料各种强度和模量等基本参数,用于仿真参数输入。然后进行碳纤维层合板的吸湿实验,得到材料吸湿数据与曲线,可以发现吸湿行为基本满足Fick第二定律,并计算其吸湿浓度和扩散率。最后是对经过四种不同湿热条件处理的试样,进行拉伸、压缩和弯曲实验,分别得到破坏载荷与位移曲线,总结湿热对三种力学破坏的影响。文章主要利用有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟,仿真主要分为两模块。第一模块是不考虑湿热条件,碳纤维层合板的结构的损伤破坏。该部分仿真是利用ABAQUS有限元软件模拟层合板的纤维拉伸与纤维压缩失效、基体开裂与基体挤压失效,同时采用内聚力单元模拟分层损伤,最终得到材料各种损失分布图和破坏载荷值。第二模块是考虑湿热条件下,通过研究湿热环境下碳纤维层合板的本构关系模型,结合热传导和质量扩散理论。利用ABAQUS仿真软件中热传递和质量扩散模块模拟湿热环境下复合材料吸湿行为和湿热应力,得到水分浓度分布图和水分扩散曲线,以及湿热应力分布云图。最后,对比实验和仿真结果,得出在低于材料固化温度范围内,湿度的影响大于温度,同时提出了层合板的损伤模型、吸湿模型,验证了模型的正确性。因此大大弥补了传统湿热实验方法的周期长、水分分布测量困难的弊端。