复合材料气瓶因质量轻、强度高、抗疲劳性能好等优点,已成功应用到诸多领域中。然而,目前对复合材料气瓶的结构设计和性能分析仍存在许多不足。如在复合材料气瓶损伤失效方面,仅分析了复合材料层的失效形式,并未给出整体结构的失效过程;在复合材料气瓶非测地线缠绕方面,研究只停留在改变缠绕角度,并未考虑到螺旋缠绕角对筒体缠绕层厚度再分配的影响;在复合材料气瓶的瓶肩堆积方面,工程上只是凭借缠绕经验,采用扩孔法减少瓶肩的纤维堆积,但相关的理论研究较少。针对以上存在的不足,本文结合理论分析和数值模拟方法,对复合材料气瓶的结构和性能进行研究分析,主要工作及研究结果如下:(1)本文采用渐进损伤方法,模拟复合材料气瓶的整体失效过程。基体开裂首先出现在筒体复合材料层上,由等厚段向两端扩展;在封头上出现较晚,由两端向中心扩展。基体全部开裂以后,气瓶上的纤维还保持完好。内压继续增加,当达到某一值后,筒体上的纤维出现了局部断裂,与基体扩展方向不同,纤维断裂除了由初始位置向两端扩展外,还沿径向局部扩展。纤维的断裂极大程度上降低了气瓶的承载能力,内胆在纤维断裂初始位置变形增大,然后破裂,导致气瓶最终整体失效。计算得到,该类气瓶的最终爆破压力为112MPa,接近试验值108MPa。(2)根据DOT-CFFC标准要求,确定复合材料气瓶自紧压力的变化范围。在此基础上,研究自紧压力对气瓶疲劳寿命的影响,结果表明筒体等厚段的等效应力幅随着自紧压力的增大而增大。从而,确定出该类气瓶的最佳自紧力约为54MPa。(3)针对非测地线的研究不足,本文考虑缠绕角对筒体缠绕层厚度再分配的影响,通过封头的非测地线理论分析,得出偏差角的允许范围,并结合偏差角对气瓶应变的影响,确定出其最佳值。在此基础上,采用应力分析和渐进损伤方法,探讨非测地线缠绕对气瓶的力学性能影响,研究表明非测地线缠绕不改变气瓶的极限承载能力,同时能提高封头的强度。对于该类气瓶,公称工作压力下,采用最佳偏差角缠绕的气瓶,其封头的内壁和外壁在极孔附近的Mises应力分别平均降低6.4%和4.3%。对于不同偏差角的气瓶,其爆破压力均为112MPa,与测地线缠绕气瓶相同。(4)针对瓶肩堆积问题,本文提出带宽扩孔法和极值扩孔法。研究发现扩孔不仅能够降低极孔附近的纤维堆积,还能够让封头上的纤维分配更加均匀。通过比较不同扩孔模型模拟结果,发现对于该类气瓶采用一带宽和一带半宽各一次扩孔效果最佳,能够在保证纤维极值厚度降低31.5%的基础上,降低气瓶整体应力水平。通过渐进损伤分析,发现扩孔技术能提高气瓶的极限承载能力。因此,在适当的情况下,进行扩孔缠绕,不仅能减少瓶肩堆积,还能提搞气瓶整体的强度和极限承载能力。