开展复合材料壳体承载能力预示和评估,是固体火箭发动机设计的重要内容,也是新型高速导弹发动机工程研制过程中亟需解决的难题之一。新型高速导弹飞行过程中,与空气摩擦产生的气动热使弹体表面产生1000℃以上的高温,导致复合材料壳体的强度和刚度大大降低,严重影响其承载能力。本文通过理论分析、数值仿真和试验验证,系统研究了裙粘接结构承载能力,以及高温下复合材料壳体内压、轴压、外压承载能力,形成了适用于工程应用的分析方法。主要研究内容如下:提出了基于内聚力模型的裙粘接结构性能分析方法,并通过试验验证,发展了以裙粘接结构切割试样试验进行整体承载能力预估的新技术。将内聚力模型应用到复合材料壳体裙粘接结构界面分析,揭示了裙粘接部位在轴拉载荷作用下的失效演化过程。研究表明,采用该分析方法预示的裙粘接结构轴拉破坏载荷与试验结果基本一致,具有较强的工程实用性。在此基础上,研究了静态载荷和动态载荷下裙粘接结构的承载能力,发现发动机级间分离时裙粘接结构的动态承载能力比静态情况提高45%以上。进一步提出通过二次利用地面试验后的复合材料壳体,制备裙粘接结构切割试样并进行拉伸试验,可以预估复合材料壳体轴拉承载能力的新技术,并进行了试验验证。应用该技术能够在型号研制过程中及早考核裙粘接结构技术状态,具有重要的工程价值。最后,应用本文分析方法开展了裙粘接结构优化设计,提出通过减小裙插入段倾角和增加粘接长度两种途径,可以有效提高裙粘接结构的极限承载能力。提出了复合材料壳体在温度与内压共同作用下承载能力的工程评估方法,研制了适用于发动机壳体的力热联合加载试验系统。通过引入温度效应系数,改进了基于网格理论的复合材料壳体内压承载能力工程评估方法,通过缩比容器高温内压爆破试验对评估方法进行了验证。结果表明,采用该评估方法的预示结果与试验结果吻合度较好,可以满足工程应用需求。为有效模拟气动热环境对复合材料壳体内压承载的影响,基于辐射加热方式和有差调节原理研制了力热联合加载试验系统,能够按照指定时间历程进行瞬态过程模拟。在此基础上,以提升单层铺层材料的耐高温性能为目标,开展了耐高温树脂体系适用性研究,结果显示,采用氰酸酯树脂体系,可以有效提升复合材料壳体的高温承载能力。引入温度影响系数,改进了复合材料壳体临界轴压的预示方法,发现了碳纤维复合材料弹性常数随温度的变化符合Boltzmann分布,得到了提升复合材料壳体轴压承载能力的工程实现途径。基于复合材料圆柱壳稳定性控制方程,按照发动机壳体承载边界条件对临界轴压的预示方法进行了简化,通过测定高温环境下纤维复合材料弹性常数,并开展Φ150mm圆筒常温和高温轴压破坏试验,获得临界轴压修正系数和温度影响系数,形成适用于高温环境的复合材料壳体临界轴压预示方法。研究发现,弹性常数随温度的变化规律符合Boltzmann分布,当环境温度超过树脂玻璃化温度后,复合材料轴向、横向弹性常数和剪切模量及圆筒轴压承载能力均明显下降。在此基础上,分析了铺层参数对轴压承载能力的影响,提出通过增加0°无纬布铺层和提高纤维体积含量相结合的方式,可有效提高复合材料壳体的轴压承载能力。研制了适用于全尺寸发动机壳体的外压稳定性试验装置,并进行了某型号发动机壳体外压稳定性试验,得到了提升复合材料壳体外压承载能力的工程实现途径。以某型号复合材料壳体为研究对象,开展了复合材料壳体外压稳定性分析,在此基础上设计了试验验证方案并提出了外压承载能力提升途径。基于气压加载方式研制了具有影像观测、实时监控和数据采集功能的外压试验装置,对某型号复合材料壳体进行了外压试验,获得理论分析所需的修正系数。研究表明,对于大长径比发动机复合材料壳体而言,通过选取更高弹性模量的碳纤维,或在筒段增加加强环的方式,能够有效提升壳体外压承载能力。试验发现,碳纤维复合材料壳体在屈曲后仍具有一定的承载能力,试验时必须通过应变、失稳过程视频监测等方法,辅助推断临界外压。总之,本文研究形成一套较为系统的固体火箭发动机复合材料壳体承载能力评估和优化设计方法,研究成果对提升复合材料壳体设计水平具有重要的指导作用,所提出的的方法及分析结论具有重要的工程应用价值,可为固体火箭发动机设计、制造和使用部门参考。