球形高压复合材料缠绕气瓶(以下简称复合材料缠绕气瓶)具有质量小的优势和爆破前先泄漏的安全失效模式，正在空间系统中取代传统的纯金属气瓶。碳纤维缠绕气瓶采用钛内衬、外覆盖碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕层结构。复合材料的显著优点是比强度高、比模量大、抗疲劳性能好。复合材料具有的这些优点正好满足航天系统对减轻结构重量的特殊要求，这使它成为空间系统上应用越来越多的重要材料。但是复合材料具有强烈的各向异性和非均质性的特点，因此它的力学性能比较复杂。　

　　缠绕层是承担压力载荷的主体，复合材料缠绕气瓶的安全失效模式要求缠绕层能承受内衬开裂后产生的载荷转移。为了提高性重比，缠绕层尽量设计为球形。材料由高性能碳纤维T700 和环氧树脂湿法缠绕固化而成，缠绕方式为平面缠绕。

　　缠绕气瓶的理想结构是在内压作用下气瓶各处具有等强度。因此缠绕气瓶的缠绕结构方案为:首先在极孔处缠绕一定循环的纤维来满足极孔开口处附近的强度要求。由于纬度越低，纬度圈的半径越大，过该纬度圈的纤维密度越小，所以必须在较低开口处的纬度处缠绕一定 循环的纤维。这样又形成了一个比开口大的包络圈，满足了该纬度附近的强度要求。然后再在纬度更低的地方缠绕，直到赤道附近，然后在赤道左右大约30mm的宽度范围内进行环向缠绕，加强赤道处强度，从而满足球形气瓶各纬度处的强度要求。

　　爆破压力是复合材料缠绕气瓶最基本和重要的设计参数，由于树脂的拉伸强度极限及弹性模量都比纤维小得多，而且壳体将要爆破时，树脂几乎全部开裂，已不起加强作用，因此进行计算时，忽略树脂的作用，将壳体看作是完全由纤维缠绕而成。这一理论基于网格理论。

　　缠绕层强度设计中，缠绕纤维的厚度取决于爆破压力，主要参数有纤维额定强度发挥系数，平面缠绕时取0.8，爆破压力85MPa，纤维强度4900MPa，纤维体积含量70%，环氧树脂体积含量30%。

　　在进行气瓶受力分析时，认为气瓶任何部位，纤维内力必须与内压产生的薄膜应力构成静力平衡，即整个球体形成--个静平衡结构。由网格理论纤维厚度与气瓶压力间的关系，得到气瓶赤道处缠绕层的设计厚度为7.4mm。

　　根据气瓶受力分析及其网格理论的计算方法，编制计算程序，为了满足爆破压力不小于80MPa的设计条件，缠绕层厚度按爆破压力85MPa 进行计算，碳纤维T700 理论带距取5mm，计算得包络总圈数为25，重量约4.38kg，气瓶赤道处缠绕层的设计厚度为7.4mm，缠绕层结构参数：开孔半径15~153mm，缠绕角5.5~80°，缠绕圈数195~34。

　　为了保证设计的气瓶有足够的安全系数，按负载100MPa 计算。即安全系数取2.5。经过有限元分析后，气瓶变形状况如图5，气瓶最大变形量为6.5mm，形状变为苹果形。最大应变只有5.8%，小于钛TA1的延伸率30%。因此，钛内衬静强度在负载100MPa时仍然有一定的安全系数。缠绕层最大应力主要集中在纬度45°附近，约3166MPa左右，小于纤维发挥强度3920MPa， 因为计算是按等厚度进行的，所以缠绕层的强度满足要求。

　　基于网格理论的球形高压复合材料缠绕气瓶缠绕层结构设计，可以有效地应用于球形高压复合材料缠绕球形气瓶的方案设计，并能够获得较准确的爆破压力设计结果。通过合理的结构研究，使碳纤维复合材料较纯金属材料在减轻重量、提高疲劳性能上更有优势。