碳纤维增强复合材料(CFRP)缠绕压力容器具有轻质高强、耐高温、抗腐蚀的优点,被广泛用于储存、运输各类工业用气体及液体。缠绕压力容器多为承受内压的薄壁轴对称结构,其结构力学响应分析可简化为不同载荷比作用下的双向平面内力学响应。然而,现阶段缠绕纤维增强压力容器力学性能的分析主要集中在单轴应力状态,双轴状态下缠绕纤维增强压力容器的力学性能分析尚未成熟。双向应力下缠绕纤维复合材料力学性能表征并无相关试验标准,缺乏标准试验件设计和实验手段,难以揭示复杂应力条件对复合材料刚度或强度等力学行为的影响规律。本学位论文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,以碳纤维增强复合材料缠绕气瓶为背景,根据缠绕纤维增强气瓶的双向载荷比为2:1的工作条件,针对碳纤维增强复合材料双轴拉伸十字型试样的设计展开试片级试验设计研究,为揭示碳纤维增强复合材料在双向载荷下的力学行为研究奠定基础。根据缠绕纤维增强复合材料的结构特征,基于网格理论及层合板一般铺设原则进行了双向刚度比为2:1的碳纤维增强复合材料层合板十字型试样设计,确定各方向铺层数量及铺层顺序。为保证试样集中在中心试验区发生初始破坏从而保证实验数据的有效性,通过修改中心削弱区域厚度设计了4种具有不同厚度比的碳纤维增强复合材料十字型试样,并基于有限元方法对其中心试验区关键参数进行分析,获得关键参数随试样厚度比及载荷比的变化规律,从而确定满足试验要求的厚度比范围。为防止试样在变厚度区域产生过大层间应力从而导致发生不合理的破坏形式,基于改进的Hashin准则计算应力强度系数,对比覆盖层对试样层间应力的影响,优选层间应力最小的试样铺设方式。通过调整颈缩角度及过渡圆弧弧度,对试样中心试验区应力集中系数开展灵敏度分析,确定了能够保证试样在中心试验区发生初始破坏的试样关键几何参数的范围,提出了合理的双轴试验的试样设计方案。本学位论文提出的碳纤维增强复合材料十字型试样设计可用于双向刚度比2:1的碳纤维增强缠绕复合材料的双轴拉伸试验,同时保证获取的试验数据的有效性与准确性,准确表征缠绕纤维增强复合材料在双向载荷下的力学行为,揭示双轴应力状态对复合材料力学性能的影响规律。