航天装备可靠性是其质量评估的重要组成部分,也是发挥结构最佳性能的基础。薄壁加筋结构作为航天装备的主承力构件,其使役性能直接关系到发射任务的成败。由于不确定性因素广泛存在于结构生产制造和服役等各个阶段之中,考虑各种不确定性因素对结构使役性能产生的影响,通过优化设计方法进一步提升其性能具有十分重要的现实意义。可靠度优化方法作为量化结构失效概率并从设计层面处理其失效问题的重要手段,如何保障结构可靠度分析与优化过程中的稳健性、高效性和准确性一直是工程界亟待解决的问题。本文分别面向认知不确定性、随机不确定性以及多源不确定性因素下的结构可靠度优化方法,探究其在稳健性、计算效率及精度等方面存在的问题并提出了解决方案,并将改进的方法应用于航天装备的结构设计之中。本文首先面向认知不确定性因素下的非概率椭球模型,从可靠度分析方法与优化策略两个方面开展了系统性研究,提出了增强混沌控制方法和高效变循环方法,显著提高了可靠度优化方法中设计点搜索过程的稳健性并大幅降低了优化流程的计算成本。在此基础上,构建了面向航天装备中典型多开口曲筋板壳结构的多层次一体化设计框架,显著提高了该类结构的设计效率。其次,针对随机不确定性因素下的概率模型,本文提出了一种考虑多设计点的全局可靠度优化方法,结合主动学习Kriging模型、边界抽样技术以及改进步长自适应调节方法实现了多设计点下结构可靠度优化问题的高效、稳定求解。最后,本文面向多源不确定性因素,即非充分样本引入的认知不确定性和随机不确定性,建立了基于单循环策略的置信度优化方法,大幅精简了优化流程并显著降低了计算成本,为可靠度优化方法在航天领域的应用提供了必要的理论基础。本文主要内容包括:1.提出了基于增强混沌控制的非概率可靠度优化方法,显著提高了双层嵌套策略下结构可靠度优化的稳健性和计算效率。本文首先基于历史迭代步方向信息实现了非概率可靠度分析过程中的振荡检测,并基于稳定转换法自适应选取控制因子对出现振荡问题的迭代点进行收敛控制,有效改善了非概率可靠度分析过程的稳健性。为充分保证控制因子合理性,本文利用Wolfe-Powell准则对控制因子进行二次检测和调整,有效保障了非概率可靠度分析过程的效率和鲁棒性。最后,通过数值算例和火箭主承力构件--网格加筋柱壳非概率可靠度优化的工程应用,验证了所提方法在效率以及稳健性方面的优势。2.提出了单循环策略和双层循环策略序列切换的高效变循环方法,大幅降低了非概率可靠度优化方法在工程问题中的计算成本。本文首先根据目标可靠度指标、不确定性变量的分布规律以及约束函数灵敏度信息,利用设计点近似变换,将可靠度约束转化为确定性约束,实现了可靠度优化问题的确定性求解。为保证可靠度优化的计算精度,本文引入了准确性检测,利用高效稳健的增强混沌控制方法验证当前最优解的准确性。为进一步减少后续冗余计算,本文引入了无效约束检测和删除机制,实现了多约束下可靠度优化问题的高精度高效率求解。面向多开口曲筋板壳结构,本文构建了基于高效变循环方法的多层次一体化设计框架,通过布局设计和精细设计分层、可靠度优化设计和确定性优化设计分离,显著提高了该结构的设计效率并验证了所提方法的性能。3.提出了一种考虑多设计点的全局可靠度优化方法,极大地提高了样本信息的利用率和可靠度分析精度,并拓宽了可靠度优化设计方法在工程问题中的适用性。为保证可靠度分析中设计点搜索过程的效率和稳健性,本文首先提出了一种改进步长自适应调节方法,实现了设计点的快速稳健求解,为后续多设计点下的可靠度分析提供了有力工具。针对可靠度分析计算精度差的问题,本文指出多设计点是造成该误差的根本原因之一,并引入Bulge算法,借助FORM/SORM方法对极限状态曲面上所有设计点进行序列搜索,有效保障了所得失效概率的准确性。考虑到多设计点问题会产生额外计算量,本文基于主动学习Kriging模型,提出了改进边界抽样方法,通过在优化过程中对极限状态曲面动态选择性拟合,显著提高了样本信息的利用率。最终,结合全局优化思想,本文构建了面向多设计点的全局可靠度优化框架。数学算例和工程算例均验证了所提方法的高效性和准确性以及对多设计点问题的适用性。4.提出了一种基于单循环思想的置信度优化方法,综合考量了非充分样本下多源不确定性因素对结构性能产生的影响并跨越式提升了置信度优化的计算效率。面向分布类型已知的非充分样本,本文首先引入了失效概率的置信度来表征该认知不确定性的传播规律。考虑到传统置信度优化方法采用MCS方法进行可靠度分析甚至置信水平评估所带来的计算效率问题,本文基于功能度量法思想发展了一种高效的完全功能度量法。该方法将内层的失效概率计算替换为基于二次可靠度分析方法的设计点搜索,在保证计算精度的前提下,大大提升了置信度优化过程的求解效率和稳健性。最终通过单循环策略将可靠度分析集成到置信水平评估过程中,使得三层嵌套的置信度优化转换为双层嵌套问题,大幅提高了置信度优化的计算效率。所提方法性能得到了多个经典算例的验证,相比于传统置信度优化方法,所提方法在保证可靠度分析与置信水平评估准确性的前提下大大降低了所需的计算成本。