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龙图腾网获悉太原理工大学申请的专利复合材料压力容器纤维缠绕角敏感度分析与优化方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN121580762B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2026-04-24发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202610123998.7，技术领域涉及：G06F30/23；该发明授权复合材料压力容器纤维缠绕角敏感度分析与优化方法是由黄金博;梁建国;高海峰;赵春江;江连运;陈占春;刘江林;李银辉;武婷;张晓祥设计研发完成，并于2026-01-29向国家知识产权局提交的专利申请。

本复合材料压力容器纤维缠绕角敏感度分析与优化方法在说明书摘要公布了：本发明提供了一种复合材料压力容器纤维缠绕角敏感度分析与优化方法，属于复合材料压力容器设计制造的技术领域，该方法包括S1，模型分区；S2，制造约束；S3，建立本构关系；S4，设计变量参数化；S5，优化问题的数学表述；S6，灵敏度分析求解；S7，设计变量更新；S8，迭代循环与收敛判定。本方法将优化问题的设计变量从不可制造的“局部铺层角”转换为决定纤维空间角的实际“缠绕路径参数”，从而在优化过程中严格嵌入制造约束，通过构建高保真有限元模型并采用高效的解析灵敏度分析，实现设计空间的高效探索，最终输出与数控缠绕设备无缝衔接的、可直接用于多束无交叉生产的缠绕角分布方案，实现从优化设计到制造规划的技术闭环。

本发明授权复合材料压力容器纤维缠绕角敏感度分析与优化方法在权利要求书中公布了：1.一种复合材料压力容器纤维缠绕角敏感度分析与优化方法，其特征在于，包括下述步骤： S1，模型分区： 将复合材料压力容器域Ω划分为互斥子域： 1； 其中，ΩL表示内衬区域和封头区域，ΩH表示复合材料缠绕层区域； 通过有限元法，将复合材料缠绕层区域ΩH离散为由Ne个单元组成的系统，针对ΩH内的每个单元e，e=1,2,...,Ne，赋予均匀化的正交各向异性材料属性，任意单元e的纤维方向由一对角度β,θ共同描述，β为方位角，θ为缠绕角； S2，制造约束： 在有限元模型中嵌入方位角固定原则制造约束，在方位角固定原则的约束下，每个单元的方位角β被视为由复合材料压力容器几何形状预先决定的固定参数，而非设计变量，缠绕角θ为设计变量，优化过程仅在固定的β分布下对设计变量θ进行调整； S3，建立本构关系： 内衬和封头为各向同性材料，应力矢量与应变矢量之间的本构方程表述为： 3； 4； 其中，DL为刚度矩阵，E为杨氏模量，为泊松比； 在微观尺度上将复合材料缠绕层等效为宏观正交各向异性材料，并以三个相互正交的材料主方向为坐标轴建立局部坐标系，局部坐标系中纤维轴向表示为1方向，纤维径向表示为2方向和3方向，假设纤维轴向与全局坐标系一致，则应力矢量与应变矢量之间的本构关系表示为： 5； 6； 其中，为弹性矩阵，作为原始本构矩阵，为后续坐标转换到任意方向的基础； ；；； ；； ； ；；； 为1方向的杨氏模量，为2方向的杨氏模量，为3方向的杨氏模量， 为1-2平面的泊松比，为1-3平面的泊松比，为2-3平面的泊松比， 为1-2平面的剪切模量，为1-3平面的剪切模量，为2-3平面的剪切模量，； 受到本构相容关系的约束，根据i,j=1,2,3；i≠j，可得到、、； S4，设计变量参数化： 对原始本构矩阵施加旋转变换，得到包含纤维取向β,θ的弹性矩阵De： 7； 其中，Tθ'和Tβ'为θ和β的旋转张量； S5，优化问题的数学表述： 在给定载荷下，复合材料压力容器的总应变能表示为： 13； 其中，JL表示与纤维取向无关的内衬及封头的应变能，JHθ表示与缠绕角θ相关的复合材料缠绕层的应变能，分别有： 14； 其中，表示内衬及封头的应变能密度，表示复合材料缠绕层的应变能密度； 将纤维方向优化问题表述为如下数学形式： 15； 其中，表示目标函数，Kθ,β表示依赖于纤维取向场θ,β的结构刚度矩阵，u表示位移向量，F表示载荷向量； 优化后的目标函数的积分形式： 19； 其中，=Bu为真实应变向量，方向分量通过旋转张量Tθ'和Tβ'与纤维取向角度直接相关； S6，灵敏度分析求解： 由于几何离散后每个单元的方位角β已确定，因此灵敏度分析仅针对缠绕角θ进行，采用伴随变量法进行灵敏度推导，在假设材料各向同性的前提下，引入虚拟应变张量替代，对缠绕角θ进行灵敏度分析： 20； 采用最大值归一化处理对灵敏度进行无量纲化，对每个单元，取θ方向灵敏度的最大，并定义梯度方向归一化灵敏度为： 23； 其中，J=，归一化后的灵敏度被限定在区间[-1,1]内； S7，设计变量更新： 缠绕角θ和方位角β以球坐标形式表达： 24； 其中，和分别表示θ和β的梯度方向归一化灵敏度，η表示步长系数，ξ表示基础角向更新幅度； 基于梯度下降的迭代过程，在球坐标系框架下直接进行更新，当前迭代t的角向量值是基于前次迭代t-1的梯度信息计算得出； S8，迭代循环与收敛判定： 对步骤S7更新后的纤维取向场θ,β进行平滑处理，将平滑后的纤维取向场θ,β重新输入有限元分析模块，重复步骤S4–S7，直至满足收敛条件，最终输出优化后的纤维取向分布，实现结构刚度最大化设计。

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