纤维增强复合材料具有比强度高、比刚度高、抗疲劳性能和减振性能好等优点,在航空航天、医学、体育、汽车制造业和建筑领域获得广泛应用。使用纤维增强复合材料代替金属材料制备传动轴具有许多优点。但是,由于纤维增强复合材料的力学性能呈现各向异性,各向同性材料传动轴的设计方法不再适用,需要一种新设计方法指导复合材料传动轴的结构设计和最优化设计。首先,基于几何变形分析给出受扭工况下复合材料薄壁轴的扭转切应力和切应变,推导出直角坐标系下复合材料薄壁轴应变的坐标变换关系式。针对最常见的±45°铺设的纤维增强复合材料传动轴,推导出各铺层的纤维向应力的解析公式。基于同样思路,推导出多层任意铺设角的复合材料轴在受扭工况下的纤维层的纤维纵向应力、横向应力以及剪切应力解析公式。基于解析公式,运用蔡-吴强度准则可计算各纤维层的强度比。以上理论研究为后续的铺层厚度及其最佳铺设角优化奠定了重要基础。其次,考虑到实际的复合材料扭转轴具有一定厚度,利用复合材料壳体单元Shell99建立参数化有限元模型,对上述解析公式给出的纤维向应力与强度比进行数值验证。验证结果表明:在壁厚很薄的情况下,解析公式与数值结果非常吻合。在工程中应用的薄壁复合材料轴,本文解析公式的计算结果与实际结果偏差不大。最后,分别以铺设角为±45°的碳纤维和玻璃纤维轴为例,以各铺层的厚度配比为优化变量,以承载扭矩最大化为目标函数,基于二分法进行优化设计,使复合材料薄壁轴的层厚配置更合理。以铺层角度和各铺层的厚度配比为优化变量,以承载扭矩最大化为目标进行优化设计,最终获得最适宜的铺设厚度和铺设角度,达到承载扭矩最大化的目标。研究表明:纤维纵向与横向模量相对均衡的玻璃纤维复合材料传动轴铺层优化效果很好,经优化强度比提升一倍以上。相反,纵横向模量差异很大的碳纤维复合材料传动轴铺层强度则很难通过优化提升。