碳纤维复合材料薄壁曲面构件具有材料密度低、结构强度和刚度高等突出优点,已成为航空航天装备的重要组成部件。自动纤维铺放（Automatic Fiber Placement,AFP）是一种先进的复合材料成型技术,为复合材料薄壁曲面构件结构设计与应用提供了重要的制造基础。本文针对复合材料薄壁曲面构件高性能低缺陷结构设计和柔性纤维铺放制造的迫切需求,围绕曲面柔性纤维铺放工艺,开展了考虑制造缺陷约束的变角度纤维路径构造、复合材料力学性能数值仿真和优化、曲面柔性纤维铺放装置设计和搭建及铺放工艺实验研究,实现了复合材料薄壁曲面构件的力学性能调控和低缺陷铺放制造。本文的主要研究内容如下:（1）基于制造缺陷约束的变角度路径规划方法研究针对纤维铺放过程中存在的制造缺陷较多的问题,提出了一种基于纤维连续性和空隙堆叠缺陷约束的回转曲面纤维路径规划方法。以等厚椭圆回转薄壳为研究对象,建立了椭圆等距偏移回转曲面及其曲线的数学描述。根据工艺缺陷约束构造出了满足曲面纤维满铺的纤维基准路径方程,采用纤维束数量对复杂变角度纤维路径进行参数化描述。研究了偏移距离、纤维束宽度和纤维束数量对纤维角度分布和纤维路径两种曲率的影响,发现改变纤维束数量能够对曲面纤维角度分布进行有效调控。通过计算纤维束等距偏移曲线,得到了纤维束的两条轮廓曲线,采用旋转阵列和首尾连接的方法,实现了基准路径的曲面密化,降低纤维束裁剪与重送次数。根据相邻纤维束轮廓线的位置关系,研究了空隙与堆叠缺陷的尺寸分布规律,发现缺陷尺寸远小于纤维束宽度。研究结果表明本文提出的考虑工艺的纤维路径规划方法,能够保持较好纤维路径连续性,显著降低空隙和堆叠缺陷尺寸,实现回转曲面纤维束的均匀紧密覆盖。（2）复合材料薄壁曲面构件力学性能研究针对复合材料构件力学性能数值分析中存在的参数化建模与铺层参数配置困难等问题,提出了一种基于ABAQUS复合材料有限元仿真模块二次开发的复合材料力学性能数值分析方法,实现了基于空隙与堆叠缺陷约束路径的复合材料椭圆回转薄壳力学性能的高效参数化仿真分析。研究了几何参数与边界条件对外部静压作用下椭圆回转薄壳抗屈曲性能的影响,得到了不同组合结构参数条件下的最优临界屈曲系数和最优纤维束数量。进一步地,研究了几何参数与纤维束数量对椭圆回转薄壳的屈曲模态和屈曲失效形式影响。最后,还研究了内部静压作用下椭圆回转薄壳静力响应特性,分析了结构应力及失效系数分布规律。研究结果表明,纤维束数量对结构力学性能有着显著的影响,通过改变纤维束数量能够实现椭圆回转薄壳力学性能的有效调控。（3）基于代理模型的复合材料结构优化设计针对复合材料结构性能优化设计中存在的参数变量多和遍历仿真计算量大的问题,提出了基于代理模型和启发式优化算法的优化设计方法。以半轴比和纤维束数量为设计变量,采用拉丁超立方设计方法,得到了初始仿真试验样本,根据仿真试验结果构造了以椭圆回转薄壳临界屈曲系数为响应值的初始Kriging模型,并采用相关系数对模型的预测精度进行评价。运用均方差加点准则和遗传算法对初始Kriging模型进行代理优化,得到了优化代理模型及对应的优化试验设计方案,实现了椭圆回转薄壳临界屈曲系数的高精度高效率的建模、分析和优化。进一步地,根据优化的试验设计方案,设计了双交叉铺层壳的铺层序列优化仿真试验,建立了关于铺层序列优化的Kriging模型,对比了不同交叉铺层结构和相同铺层结构的仿真结果,研究发现铺层序列优化能够显著提高椭圆回转薄壳的抗屈曲性能。（4）复合材料柔性纤维铺放装置与实验研究针对复合材料薄壁曲面构件在纤维铺放成型中存在的工艺流程复杂、制件几何外形与纤维路径设计约束条件多,以及材料利用率低等不足,提出了一种基于热塑性预浸丝熔融沉积工艺的柔性曲面纤维铺放成型方法,设计并搭建了基于机器人的双喷头纤维铺放装置和预浸纤维束制备装置。开展了不同关键工艺参数的纤维铺放实验,研究了喷头温度、纤维束挤出速度和喷头高度对纤维铺放质量的影响,根据纤维束内部纤维丝的形态分布和损伤情况确定合适的工艺参数范围。通过响应面法探究了工艺参数对成型试件面内剪切强度的映射关系,得到了最优面内剪切强度对应的工艺参数组合。最后,根据优化工艺参数,开展了预浸纤维束曲面铺放实验,实现了不同几何参数的复合材料椭圆回转薄壳铺放制造。上述内容为复合材料薄壁曲面构件柔性纤维铺放制造研究提供参考,并为相关应用提供了理论依据和技术基础。