筒壳结构由于具有较高的比刚度和比强度,被广泛地应用于运载火箭的燃料贮箱和级间段等主承力结构中。相比于传统的筒壳结构,基于生物学启发建立的多层级筒壳结构具有丰富的结构或者材料层级,在高承载和低成本需求方面表现出巨大优势,但结构或者材料层级的丰富也带来了屈曲分析效率低及全局寻优能力差的难题。为了解决这两个难题,本文以混杂纤维筒壳和多级加筋壳两类多层级筒壳结构为研究对象,开展了多层级筒壳屈曲分析与优化方法研究。首先,建立了基于本征正交分解(ProperOrthogonal Decomposition,POD)降阶的混杂纤维筒壳结构线性屈曲分析及优化方法,提高了刚度突变的混杂纤维筒壳结构的线性屈曲分析及优化效率。然后,建立了基于渐近均匀化快速数值实现方法(Numerical Implementation of Asymptotic Homogenization,NIAH)的多级加筋壳结构线性屈曲分析方法,提高了多级加筋壳结构的线性屈曲分析效率。进而,提出了基于自适应等效策略的多级加筋壳后屈曲优化方法,提高了多级加筋壳的后屈曲优化效率。其后,针对加筋筒壳的等效模型建立了屈曲模态预测精度评估方法和模型修正方法,在此基础上搭建了加筋筒壳折减因子快速预测优化框架。最后,建立了基于多保真度竞争性抽样的多层级筒壳代理模型后屈曲优化方法,提高了多层级筒壳结构代理模型后屈曲优化的全局寻优能力。本文主要内容如下:(1)针对刚度突变的混杂纤维筒壳结构,建立了基于POD降阶的线性屈曲分析及优化方法。首先,基于POD方法推导了特征值屈曲分析的降阶有限元方程。然后,提出了有效的POD基构建及更新策略,搭建了“离线-在线-更新”的POD线性屈曲优化框架。与全阶有限元方法对比表明,该框架对刚度突变的混杂纤维筒壳结构的屈曲载荷和屈曲模态具有较高的预测精度,有效提高了该类型结构的线性屈曲分析及优化效率。(2)面向构型复杂、屈曲模态多样化的多级加筋壳结构,基于NIAH方法和瑞利-里兹法建立了高效稳定、适用性广的数值等效刚度法(Numerical-based Smeared Stiffener Method,NSSM),可以快速预测多级加筋壳的线性屈曲载荷和屈曲模态,克服了传统的等效刚度法(Smeared Stiffener Method,SSM)预测精度较低、适用性较差的缺点。(3)针对显式动力学后屈曲分析方法计算耗时较长的技术瓶颈,建立了基于NSSM自适应等效的多级加筋壳高效后屈曲分析方法,为多级加筋壳后屈曲分析模型的合理等效提供了依据。在此基础上,基于定点法搭建了多级加筋壳的代理模型后屈曲优化框架,相比于传统优化方法表现出更优异的收敛速度、优化计算效率及全局寻优能力。(4)针对加筋筒壳折减因子预测优化效率低的瓶颈问题,建立了基于模型修正的加筋筒壳折减因子快速预测优化方法。首先,针对加筋筒壳等效模型,定义了面向屈曲问题的模态置信系数以表征屈曲模态的预测精度。以此为约束条件建立了加筋筒壳等效模型的模型修正方法,提高了等效模型对屈曲载荷和屈曲模态的预测精度。最后,建立了加筋筒壳折减因子快速预.测优化方法,相比于传统方法可大幅减少计算成本。(5)针对多变量、多峰值、多约束的多层级筒壳结构后屈曲优化问题,建立了基于多保真度竞争性抽样的多层级筒壳代理模型后屈曲优化方法,综合利用了等效模型或者降阶模型的高效率及精细模型的高精度。与传统的拉丁超立方抽样及优化方法对比表明,该方法可合理缩减设计空间,避免盲目抽样,保证每次高保真度抽样具有竞争性,表现出优异的全局寻优能力。