本文以大型气垫船复合材料导管支臂的轻量化设计为背景,从内部构型、材料体系和几何参数三个方面对支臂结构进行了优化设计;采用真空导入模塑工艺制备了全尺寸的复合材料支臂样件,并对支臂进行了力学性能测试,以对设计结果进行验证;解决了这一类载荷工况复杂、与整个结构其余部分相互作用关系难以确定的主承力结构件等效建模及优化设计方法研究的问题。主要研究工作包括:首先对导管模型进行等效处理,建立了大端固定、小端受载的“悬臂板梁”支臂等效模型;明确了支臂设计的约束条件为重量小于120 kg,最大弯曲挠度小于6.22 mm;优化目标为支臂结构重量最轻。基于支臂等效模型进行拓扑构型优化,确定支臂的基本构型为前后边缘补强,内置加强筋,小端至大端逐渐增厚的结构;依据结构形式进行材料体系选择,并通过多岛遗传算法在约束条件下对6种材料体系进行选优,得到了蒙皮、前后补强、加强筋均为碳纤维、中间采用泡沫填充的选材方案;在此基础上进行几何参数优化,最终得到的全碳纤维-泡沫夹芯支臂重30.715 kg,最大弯曲挠度5.89 mm,满足设计条件。选择混杂纤维-泡沫夹芯方案进行试验验证。通过真空导入模塑整体成型工艺制备了全尺寸的复合材料支臂样件,并进行力学性能测试。结果表明,支臂在设计载荷下的最大位移实验值与理论值间的误差为26.88%;结构各部分的应变实测值规律与理论计算值吻合得较好,表明采用该方法和流程对这类载荷工况复杂、与整个结构其余部分相互作用关系难以确定的复合材料夹心结构件进行优化设计具有较高的准确性和可行性。