金属基聚合物多层复合材料在过去的几十年中在工程实践中广泛使用,在许多情况下已经替代了传统的工程材料。金属基聚合物多层复合压力容器在服役期间,由于其独特的微观结构会导致复杂的失效型式,难以表征和预测,这些失效模式包括基质开裂和层间开裂等。建立操作工艺条件-材料性能参数-结构形貌-裂纹扩展关联理论,方能明晰其关键调控参数和界面裂纹扩展的直接驱动力,并以此揭示其界面裂纹的扩展机理,基于裂纹的扩展机理方能建立金属基聚合物多层复合压力容器界面裂纹扩展失效的预防设计准则。基于内聚力接触模型研究了金属基聚合物二层复合压力容器在真空条件下的裂纹扩展行为,发现裂纹快速扩展的原因主要为真空载荷超过了其临界值,裂纹尖端的应力集中也是裂纹扩展的驱动力;通过研究金属基PMMA、PTFE、PC三种内衬复合压力容器分层界面扩展过程的模拟,系统研究了界面裂纹扩展长度随真空载荷加载时间的演化规律,以此研究提出了界面裂纹扩展失效的临界真空压力载荷的预测方法。研究构建了界面裂纹扩展特性—初始裂纹形貌—操作过程参数—材料副损伤起始应力与断裂韧性之间的关联理论,研究结果表明:界面裂纹扩展长度与初始裂纹长度、操作温度和真空载荷呈线性正关联关系,阐释了界面裂纹扩展的机理。研究构建了等值真空压力载荷约束控制和等值初始裂纹长度约束控制条件下,界面临界应变能释放率与损伤起始应力的协同耦合关联曲线,以此构建了预防界面裂纹扩展失效的设计准则。研究结果表明:随着真空压力载荷和初始裂纹长度增加,临界应变能释放率与损伤起始应力的协同耦合关联曲线向上移动,预防界面裂纹失稳扩展所需的材料副界面临界应变能释放速率增大,所以要增加等值真空压力载荷和初始裂纹长度,需要按协同耦合关联曲线,相应增加材料副界面断裂韧性,方能预防界面裂纹的扩展失效,研究创新成果可为金属基聚合物复合压力容器设计制造选材和剩余寿命的评估提供了理论依据。金属基聚合物复合压力容器在冷却降温过程真空加载工况属危险工况,为此研究建立了基于热-机械耦合作用的界面裂纹扩展过程模拟平台,通过有无热-机械耦合作用下的界面裂纹快速扩展行为的对比分析发现:具有热-机械耦合作用下的界面裂纹快速扩展的临界真空度比无热-机械耦合作用下的界面裂纹快速扩展的临界真空度小40.8%,热-机械耦合作用会加速界面裂纹的扩展失效。基于内聚力接触模型和扩展有限元的联合仿真模拟,提出了金属基聚合物二层复合压力容器聚合物内衬微裂纹在服役过程中发生裂纹扩展进而导致界面裂纹扩展失效的数值模拟方法。研究发现,聚合物内衬上的裂纹扩展的原因是压力容器在承压的过程中的裂纹难以抵抗周向应力,并且金属基与聚合物内衬间的粘结强度不足,裂纹尖端的应力集中使得聚合物内衬处裂纹不断张开,最终引起压力容器的失效。