本文对复合材料飞轮的初应力分析和强度设计理论的研究现状进行了综述,指出现有的针对多环过盈装配和预加张紧力缠绕的初应力分析采用过于简化的模型或半弹性工程模型,而且缺乏完整性,所给出的过盈量、张紧力与飞轮初应力之间的定量关系与实际情况均存在较大的偏差.为建立较完整的复合材料飞轮应力分析和强度设计的理论和方法,在国家自然科学基金(复合材料飞轮强度设计理论研究,编号10172085)的资助下,本文围绕多环过盈装配和张紧力缠绕而展开了系统的研究.提出了计及实际过盈量变化分析多环过盈装配复合材料飞轮初应力的平面应力模型和方法,与不计及实际过盈量变化的工程模型相比,该模型更合理;给出了基于叠加原理计算多环过盈装配飞轮旋转时总体应力的方法,以及保证飞轮旋转时配合界面不脱离的相关临界转速的计算方法.将纤维张紧力缠绕看成为多层复合材料薄环连续过盈装配的过程,并在此基础下,建立了计算纤维张紧力缠绕复合材料飞轮初应力的平面应力型全弹性模型,进而确定了过盈量与缠绕张紧力之间的解析关系.基于上述平面应力型全弹性模型,提出了张紧力缠绕复合材料厚环内孔卸载后的初应力分析方法;并给出了计及内孔卸载影响的多厚环过盈装配复合材料飞轮初应力分析的计算方法.给出了多环环间混杂复合材料飞轮离心应力的组集系统刚度矩阵算法,以及在此基础上的初始极限转速算法,三维数值分析验证了这些算法的有效性.在此初始极限转速算法中仅采用了径向强度判据,可以推广到同时采用径向和环向强度判据,也可以推广到采用界面强度判据;还可以推广到含初应力的情况.利用前述平面应力全弹性模型的思想,建立了三维纤维张紧力缠绕复合材料飞轮初应力分析模型,并给出了基于面面接触算法求解张紧力缠绕复合材料飞轮初应力的三维数值方法.分别在平面应力型全弹性初应力模型和组集系统刚度矩阵的离心应力模型(总称二维模型),以及三维初应力分析模型和三维离心应力分析模型的基础上,建立了二维和三维计算飞轮破坏转速的方法;其中三维方法中还采用了两种强度判据,即基于轴向大部分区域每层应力的平均值判据和和轴向边界区域每层应力的最大值判据.对三个复合材料飞轮成功实施了高速旋转破坏试验,得到了三个飞轮的实际破坏转速,且破坏均发生在径向强度最弱的飞轮与金属芯轴的界面处.