和传统金属材料气瓶相比,复合材料气瓶拥高比强度和比刚度、轻量化、高寿命和成本低等优点,主要应用于航天航空、新能源汽车工业、民用器械和工业气体领域。虽然针对复合材料气瓶的力学性能、缺陷和爆破研究很多,但其中仍存在许多不足之处。如许多研究的缺陷建模采用切分区域和参数化方法繁琐,且不能考虑封头处纤维角度连续变化,和内胆和复合材料层共同失效的情形;在有限元预测气瓶极限强度时普遍使用最大应力、应变准则,没能考虑纤维渐进损伤这一过程。针对该情况,本课题采用理论和有限元建模结合的方法,研究纤维缠绕气瓶的结构和力学性能。利用有限元软件ACP建立气瓶结构,明确纤维缠绕层的缠绕角度、厚度与层数等参数。按照DOT-CFFC气瓶标准优化自紧力,确定自紧压力的变化范围探究应力优化结果,确定出该气瓶的最佳自紧力约为28.8MPa。建立三种类型的缺陷网格,基于设计爆破压力44.2MPa分析纤维层各向受力和内衬等效应力影响情况,发现缺陷会使轴向相邻部分区域应力显著提高,环向区域应力水平下降。缺陷面积和位置对应力幅值影响较小,对应力受影响范围较大,缺陷深度对二者则影响很大。内胆和缠绕层在缺陷区都存在应力集中现象,但缺陷对内胆等效应力的影响更小。采用渐进损伤模拟办方法析气瓶失效过程。基体开裂较早出现在筒体复合材料层并向两端延伸;之后出现在封头的两端部位。而纤维的断裂损伤发生较晚,从局部断裂开始,其他区域纤维应力不断再分配,断裂继续向两端扩展外和径向扩展,使气瓶的承载能力大幅下降。随着应力增加,局部断裂初始位置出现内胆破裂,最终结构整体失效。得到预计爆破压力为60MPa,两次实验验证爆破压力分别为56.3MPa和57.0MPa,误差5%。可以认为该方法较好的预测了气瓶的极限强度。