复合材料气瓶具有比重小、抗疲劳性好、安全性高等优点,在航空飞行器、车载高压气瓶、石油化工等众多领域发挥着重要的作用。在使用过程中,复合材料气瓶可能因撞击、跌落或划伤等情况,出现基体开裂、纤维断裂和分层破坏等各种形式的缺陷,进而导致整体结构承载能力出现一定程度的下降,产生安全隐患。引发复合材料发生失效的原因众多,且失效形式复杂,以往在该方面的研究大多针对复合材料层合板这种简单结构,针对气瓶整体结构失效的分析较少。因此,研究不同损伤形态对气瓶剩余强度的影响,评估气瓶的损伤程度,具有重要意义。本文主要工作内容及其成果如下:(1)基于有关复合材料气瓶设计的基本力学理论和失效准则,建立复合材料气瓶有限元模型,结合Camanho参数退化方案和Hashin失效准则,实现气瓶渐进损伤全过程模拟。模拟得到气瓶爆破压力为107MPa,与气瓶水压试验所得爆破压力111MPa相差3.6%,误差在合理的范围内,验证了模型的准确性。(2)建立模拟复合材料气瓶冲击过程的有限元模型,引入渐进损伤模块预测剩余爆破压力。主要分析了受冲击气瓶的瞬态应力水平、冲击后气瓶的损伤情况和承载能力的变化。以半径r=3cm、质量m=0.89kg、冲击速度v=10m/s的钢制小球冲击筒体中部为例,受到冲击后纤维缠绕层共有12层出现基体开裂,3层出现纤维断裂;基体比纤维先发生失效;冲击对纤维缠绕层外侧影响大于内侧,对中间层影响最小;受到冲击后,气瓶的剩余爆破压力为81MPa,承载能力降低24.3%。(3)控制单一变量,分别改变冲击物体速度、冲击物体自身形状和冲击发生位置,得到以下规律:气瓶受到损伤的程度随冲击速度增加而增加;当冲击速度较小时,如文中小球冲击速度小于5m/s时,气瓶仅出现基体开裂,其承载能力几乎不发生变化。在本文模拟的质量相等速度相同的冲击物体中,对气瓶造成损伤的程度由大到小依次是正六面体、球体、圆柱体;冲击物体与气瓶表面接触部分越尖锐、接触面积越小,对气瓶造成的损伤越大。当小球以相同的速度冲击气瓶时,冲击发生在过渡段筒体对气瓶的损伤要小于冲击发生在筒体的中部。(4)建立了模拟复合材料气瓶水平跌落过程的有限元模型,发现筒体与地面呈线接触的区域应力较大,并沿着气瓶环向向两边扩展;纤维缠绕层损伤最严重的部位出现在封头段与筒体连接处,虽然此处没有直接接触地面,但纤维受力的不连续性增加了损伤程度;从封头与筒体连接处到筒体中部损伤逐渐减小。纤维缠绕层外侧受损伤影响大于内侧,螺旋缠绕层更易发生基体开裂而环向缠绕层更容易发生纤维断裂。(5)模拟气瓶水平跌落过程,随跌落高度的增加,气瓶损伤程度增加,纤维缠绕层损伤由封头与筒体连接处向筒体中部扩展。当跌落高度较小时,气瓶仅出现基体开裂,其承载能力几乎不发生变化,如本文气瓶从2m高水平跌落。当气瓶跌落高度超过5m时,气瓶承载能力有所下降。如气瓶分别从5m和10m高处水平跌落时,承载能力分别降低7.5%和17.8%。