随机植物短纤维增强聚丙烯复合材料(如短云杉/PP和剑麻/PP)质轻、断裂韧性高、环保、可循环使用,是新型绿色环保结构材料,日益广泛地应用于汽车、高速列车和民用飞机的内承力构件。研究其纤维微结构和纤维基体界面性能对复合材料宏观有效性能的影响,对该材料及其结构件的优化设计具有重要的理论和工程应用意义。采用均匀化方法,研究了材料尺度对随机短纤维复合材料宏观有效弹性性能的影响。建立三维随机短纤维复合材料变尺度代表体有限元模型,考虑不同纤维体积含量、纤维长细比,以及短纤维位置、取向和材料各向异性主方向的随机性影响。用自编的有限元前后处理程序,对代表体模型施加9种周期性边界条件,计算了材料正交各向异性有效弹性模量。结果表明,在细观纤维尺度,随机短纤维复合材料有效性能呈现为随机各向异性;随尺度增加,其有效性能逐渐趋于宏观各向同性。采用内聚区模型(Cohesive Zone Model,CZM),表征短植物纤维和基体界面的力学行为,研究界面性能对随机短纤维增强复合材料宏观拉伸性能的影响。建立了含界面相二维随机短纤维增强复合材料代表体单元有限元模型,用自编的有限元前后处理程序,嵌入cohesive界面单元,考虑界面刚度,初始破坏位移和完全破坏位移等参数影响,同时考虑不同纤维体积含量、纤维长细比、尺寸,以及短纤维位置、取向和材料各向异性主方向的随机性影响。模拟了不同纤维含量复合材料的实验拉伸曲线,进而确定CZM模型的界面参数,结果表明,界面刚度影响复合材料有效弹性模量。用多个数值试件的拉伸实验,得到统计平均的纤维基体界面刚度与复合材料有效弹性模量的关系曲线,即Ec-Ki曲线,并给出数值预测公式。数值结果表明,同一复合材料的不同纤维含量的Ec-Ki曲线存在一个临界交点,在交点的强界面刚度一侧,复合材料有效模量随纤维含量增加而提高;在交点弱界面刚度一侧,有效模量随纤维含量增加而减少。交点的位置与纤维、基体的力学性能有关。研究了纤维基体界面切向刚度对复合材料有效弹性模量的影响。