复合材料板壳、加筋板壳等复合薄壁结构由于具有高比刚度、高比强度等特点,被广泛用于火箭、导弹、高超速飞行器等航天装备的主承力结构当中。近年来,在深空探测等航天任务的牵引下,运载火箭等航天装备呈现大型化、重型化的发展趋势,结构的承载环境也越来越严酷和极端。随着航天工业的发展,我国对航天装备结构的轻量化设计和低成本设计提出了进一步要求,为了解决航天结构轻量化设计与大型化之间的矛盾,亟需提高我国航天装备结构的承载效率。针对上述需求,本文以航天复合薄壁结构为研究对象,分别针对复合薄壁结构的低成本设计、变刚度创新构型设计和缺陷敏感性薄壳的轻量化设计等问题开展了综合优化设计研究。首先,以降低结构的材料成本和设计成本为目的,分别提出了面向复合薄壁结构的多层级变量协同优化方法和离散材料多样性设计优化方法,开展并实现了航天板壳结构的低成本设计。然后,面向纤维增强和加筋增强两类典型的航天复合薄壁结构,基于不同的优化策略,分别建立了面向板壳变刚度创新构型设计的优化框架。随后,针对航天薄壁筒壳结构,开展了缺陷敏感性分析,对不同缺陷敏感性分析方法进行了综合对比,并提出不完全折减刚度法,实现了非完善筒壳结构缺陷敏感性的加速分析。最后,针对变刚度复合材料筒壳和加筋筒壳,分别开展了面向缺陷容忍的航天筒壳结构优化设计,在保证结构轻量化水平的前提下,提高了筒壳结构的设计载荷,并基于不完全折减刚度法,建立了面向缺陷容忍的轴压加筋筒壳快速优化设计框架,提高了计及缺陷敏感性筒壳结构的优化效率。本文主要内容如下:（1）针对航天薄壁结构的低成本设计问题,以降低航天薄壁结构的材料成本和设计成本为切入点,提出了面向复合薄壁结构的多层级变量协同优化方法和离散材料多样性设计优化方法。首先,建立了考虑不同层级设计变量的备选材料库,通过离散材料优化方法,实现了低成本约束下混杂纤维复合材料板壳的多层级变量协同优化。然后,在此基础上,开展了面向低成本混杂纤维复合材料板壳结构的多样性设计,同时提供多个具有不同潜在性能的多样性设计方案,以减少设计更改和工程返工的概率,提高产品的设计效率,实现缩短设计周期,降低设计成本的目的。（2）为获得具有轻质高承载特点的创新航天薄壁结构设计,针对不同的薄壁结构形式,分别开展了面向航天复合薄壁结构的变刚度构件设计方法研究。其中,面向纤维增强复合材料板壳结构,分别开展了基于离散材料拓扑优化方法和曲线路径形状优化方法的复合材料变刚度板壳结构优化设计。针对加筋增强板壳结构,还提出了一种集拓扑、形状和尺寸优化于一体的加筋增强壁板变刚度优化设计方法。上述方法均可有效地改善薄壁结构的传力路径,获得力学性能大幅提升的航天板壳变刚度创新结构设计。（3）针对航天薄壁筒壳结构的缺陷敏感性问题,对比分析了近年来主要的缺陷敏感性分析方法,搜集了公开文献中的筒壳轴压屈曲试验数据,并基于近年实验数据对轴压筒壳折减因子设计规范进行了更新。随后,基于试验数据,对不同的缺陷敏感性分析方法进行了综合比较。另外,针对多点最不利扰动载荷法等缺陷敏感性方法分析效率低的问题,提出了一种面向含缺陷非完善筒壳结构的承载力快速分析方法——不完全折减刚度法,在满足分析精度要求的同时,大幅降低了非完善筒壳结构承载力分析的计算成本,实现了筒壳结构缺陷敏感性的加速分析。（4）为在保证结构轻量化水平的同时,提高航天薄壁筒壳结构的承载能力,从而提高其安全裕度,获得具有高承载、高稳健性的航天筒壳结构设计,开展了面向缺陷容忍的航天复合薄壁筒壳结构优化设计研究。在变刚度复合材料筒壳和加筋筒壳结构的优化过程中,充分考虑了结构屈曲载荷和缺陷敏感性的耦合关系,通过同时提升筒壳结构完善模型的屈曲载荷和抗缺陷能力,实现了其设计载荷和稳健性的提升。针对非完善筒壳结构优化设计效率低的问题,基于不完全折减刚度法,建立了面向缺陷容忍的轴压加筋筒壳快速优化设计框架,实现了计及缺陷敏感性加筋筒壳结构优化效率的大幅提升。