纤维增强复合材料具有质量轻、强度高、抗疲劳、耐腐蚀等诸多优点,已广泛应用于航空航天、机械制造、汽车工业、化工、纺织、医学、建筑和体育用品等领域。纤维缠绕增强压力容器是复合材料的典型应用实例。除有限元方法,纤维增强厚壁筒的结构分析和强度设计尚缺乏简便准确的分析方法。纤维缠绕压力容器主要由芯模和缠绕层组成。在外层缠绕纤维时,外层的纤维张力对内层张力有放松,导致纤维层内松外紧,引起强度比沿壁厚非均匀分布。通过设计变化的缠绕角,有望实现沿壁厚方向等强度,以提高容器的承载能力。基于正交各向异性材料本构关系,利用正轴和偏轴坐标系下的应力和应变的坐标变换,导出正轴和偏轴的应力-应变关系。利用对称均衡铺设层的应力和变形关系,求解得到三向应力状态下的纤维应力公式。退化情况等同于现有二维公式。利用Hoffinan和Tsai-Wu失效准则比较研究二维公式以及本文三维公式对强度比的影响。建立碳纤维缠绕铝内胆容器在内外压作用下的有限元模型,对该解析公式进行对比验证。对比表明本文公式结果与有限元结果一致。采用正交各向异性本构关系和厚壁筒理论,在外压和轴向荷载作用下,推导出变缠绕角厚壁筒纤维缠绕层的应力和变形公式。导出纤维方向的纵向应力、横向应力以及剪切应力解析公式。该公式可退化为各向同性材料,用于夹层管或有内胆复合材料管状结构的结构分析。有限元模型的结果与理论公式吻合很好。以各层的螺旋缠绕角为优化变量,以结构承载能力最大为目标函数,建立变缠绕角纤维螺旋缠绕结构的最优化模型。进行内压作用下变缠绕角厚壁柱形容器的缠绕角优化,实现强度比沿壁厚的更均匀分布。提出将两种传统优化算法相结合的改进优化算法,大大提高了优化方法的计算效率。在纯环向应力、环向应力与轴向应力之比为2：1和1：1三种工况下,研究不同壁厚条件下最优缠绕角分布及其强度比提升效果和均匀程度。研究表明：缠绕材料的各向弹性模量差异大小对最优强度比沿壁厚的分布影响很大。纵横模量差异越大,壁厚越厚,各层强度比相互关联性就越显著,缠绕角优化的难度越大。不同壁厚的碳纤维管和玻璃纤维管的最优缠绕角相差很大,强度比优化效果不尽相同。即使很厚的玻纤管也可以通过优化实现比较均匀的强度比,而很薄的碳纤维管才可能实现较均匀的强度比。