随着复合材料在各个领域的广泛应用，作为××××发动机燃烧室的纤维缠绕复合材料壳体在航天领域中越来越受到人们的重视。本文以某发动机技术研究院的“纤维缠绕××××发动机壳体的应力变形及损伤研究”项目为研究背景。由设计方案A研制的××××发动机壳体称为A壳体。为满足弹头质量增加的需要，在设计方案A的基础上研制了B壳体，但B壳体在试验中发生了低压爆破。针对××××发动机B壳体发生低压爆破的问题，应用复合理论、网格理论和非线性有限元法对B壳体进行了宏观应力应变分析，从而确定了B壳体低压爆破的原因是由于损伤所致。在此基础上，深入地研究了壳体损伤发生概率最大、而危害又相当明显的典型损伤类型——基体开裂和分层损伤，分别采用能量法和剪切滞后方法建立基体开裂和分层损伤的模型，对损伤的机理和损伤对壳体性能的影响进行了深入的研究。 首先，采用网格理论、复合理论和非线性有限元方法对××××发动机壳体的应力和变形情况进行分析与计算。在非线性有限元建模过程中，对壳体缠绕角度和厚度进行了修正，针对××××发动机这样的大型结构，首次采用一种四边形复合材料单元，实现了能够在单元内部沿厚度方向进行离散化，使得在划分单元总数较少的情况下，计算结果比较精确。通过对网格理论、复合理论和非线性有限元方法计算结果与试验值之间的相互比较，可以看出：非线性有限元计算结果介于网格理论和复合理论之间，且有限元计算结果与复合理论结果更加接近，表明在水检压力下壳体筒段确实存在着基体开裂等损伤。在最大压力为水检压力的作用下，应用有限元计算出壳体的整体变形以及不同部位的各种应力(不同应力分量)和位移分量，与试验结果均比较吻合，证明采用大变形方法分析壳体宏观应力和变形是合理的，A壳体与B壳体的应力、变形情况基本相同，B壳体发生低压爆破不是由于结构参数的调整造成，而是由于各种试验导致的累积损伤造成的。哈尔滨工程大学博士学位论文 其次，采用能量法建立了纤维缠绕壳体筒段同时受到均匀内压和轴向拉伸载荷作用时的表面分层损伤临界分层屈曲分析模型，探讨了壳体筒段表面分层损伤屈曲扩展的机理。研究结果表明:壳体筒段受轴向拉伸和内压载荷作用时，轴向和环向载荷的比率不同，母层和子层可能发生拉伸屈曲，也可能发生收缩屈曲，或者同时发生拉伸和压缩屈曲;母层与子层各向异性存在差异，即泊松比与剪切模量不匹配时，将使子层板的边界上承受压缩和剪切作用，当分层达到临界状态则发生屈曲，当母层与子层的各向异性差异越大，则发生分层屈曲的可能性越大;分层损伤的屈曲应变值与子层自身的弹性模量、分层子层的形状、厚度以及圆柱半径等因素有关。 第三，研究了在应力较高时横向开裂裂纹的裂尖引发的分层损伤现象。建立了包含分层损伤的完全抛物线分析模型，依此模型计算材料的宏观刚度性能，并与没有考虑分层损伤的不完全抛物线模型和完全抛物线模型进行了比较。结果表明，在应力较高的情况下，考虑了分层的完全抛物线模型与试验结果符合程度最好。