机械设计及理论的发展与新材料的发明和应用有紧密的关系，研究新材料在机械中的应用是当今机械设计及理论的一个重要内容。本文的研究工作是重庆市科委资助项目“天然气汽车气瓶可靠性研究”的一部分，旨在研究纤维缠绕复合材料壳体设计理论及方法和破坏机理，综合运用有限元优化技术建立复合材料壳体CAD系统。 本文首先对复合材料壳体的层间应力进行分析，提出了复合材料壳体层间应力分布对复合材料实际结构破坏的影响。纤维缠绕复合材料壳体在工程实际中得到广泛应用，其壳体力学性能相当复杂，本文在分析复合材料壳体层间应力的影响时，提出了复合材料壳体层间应力随纤维方向的改变有较大的不同，不仅分布形式不同，其最大层间剪应力所在的界面也各不相同。 本文在研究复合材料层间应力的有限元分析时，发现复合材料层合壳曲率对层间应力大小有一定影响，但对层间应力沿厚度的分布形式影响不大。并结合有限元分析法提出了计算层间应力的数值分析方法，有助于对复合材料层合板壳进行深入的研究。复合材料壳体层间有限元分析采用准三维非线性有限元分析理论对壳体层间有限元迭代计算方法进行了讨论，该方法的收敛速度较快。得出材料非线性会使|45°／-45°|交角层壳的结构刚度显著降低，但对正交对称层壳的结构刚度影响并不明显。 本文在分析复合材料壳体结构时，轴对称壳体的屈曲有限元分析对结构前屈曲非线性方程及屈曲载荷求解中的特征方程分别作了简化。提高了求解的效率而不影响精度，特别适合天然气汽车气瓶在轴对称载荷作用下的有限元分析。并结合对承受内压的纤维缠绕复合材料圆柱壳进行了分析，通过建立理论方程提出了把加强环点建立在纤维缠绕处分析圆柱壳内衬应力应变的方法，计算结果与传统有限元分析系统计算结果相吻合。阐述了可视化技术在优化设计整个过程中各个方面的应用。建立了复合材料壳体结构的计算机辅助设计系统—CMFCAD系统。用实验验证复合材料壳体设计理论在天然气汽车气瓶设计中的正确性。