本文以高性能复合材料传动轴为应用背景,重点研究金属法兰与复合材料轴管的连接方式,针对齿形压装接头减重有限、压装时易造成复合材料轴管损伤的问题,设计了一体化齿形连接复合材料传动轴结构。基于实际传动服役条件,研究考虑齿形接头影响的复合材料传动轴平衡扭转刚度设计表达式与扭转失效强度设计表达式;建立一体化齿形连接复合材料传动轴有限元模型,研究连接结构承载特性;基于热固性复合材料缠绕工艺,制备典型样件进行扭转测试,验证理论分析与有限元模型的有效性;建立齿形接头多目标遗传优化算法,得到结构最优设计方案,为复合材料传动轴的连接方式提供新思路。（1）通过解析法分析一体化齿形连接复合材料传动轴的扭转力学行为,得到连接结构服役条件下变形与破坏行为的理论解析解。结果表明,引入齿形接头后,结构受载时单齿自由端相对复合材料齿-轴管结合面的附加位移,降低了结构整体刚度;根据单齿不同区域应力状态,获得了不同破坏形式下的接头最大承载扭矩表达式,得到结构最终失效扭矩为复合材料齿损伤、金属齿损伤和复合材料轴管损伤对应承载扭矩中的最小值。（2）基于三维Chang-Chang失效准则,通过渐进损伤有限元模型研究了连接结构扭转载荷下的位移响应、应力分布和破坏机理。结果表明,当接头中齿数为5、齿高为4.3mm、齿长为20mm、齿宽为8mm时,复合材料齿相对轴管位移导致的扭转角占总扭转角的4.72%,同理论计算结果一致;复合材料齿根部存在明显的应力集中现象,主要承受法向应力与剪切应力,在角点处最大;单侧齿面主要承受挤压应力,并沿齿宽方向不断降低;接头断面初始裂纹由复合材料齿-轴管结合面处的法向拉伸应力引起,随即在剪切载荷作用下诱发宏观裂纹扩展,导致最终失效,失效区域包括结合面处单齿根部的两层复合材料与相邻轴管内壁的一层复合材料。（3）针对复合材料传动轴高效低成本制备要求,研究了基于热固性树脂湿法缠绕工艺的一体化齿形连接复合材料传动轴成型方式,并通过扭转试验与断口形貌分析研究了连接结构的承载性能及失效模式。结果表明,在本文设计的一体化连接结构成型工艺下:胶液温度10~30℃,缠绕张力30N,缠绕过程中在线固化温度80℃,缠绕完成后旋转后固化（120℃,4h）,可以得到性能良好的复合材料齿形接头,与热压罐固化工艺相比,可减少成型时间40%以上;实测样件的最终失效扭矩为1468.8 N×m,对比其理论值、仿真值的误差仅分别为2.93%和3.91%,轴管表面剪切应变有限元分析结果与实测平均应变值相差仅2.58%,结合断口形貌分析,表明理论计算、建模仿真结果与实验现象吻合良好,可以准确反映接头实际承扭状态。（4）结合一体化齿形接头的理论分析与有限元仿真结果,研究了连接结构铺层设计与几何特征对整体结构失效扭矩的影响,采用NSGA-Ⅱ遗传算法,综合结构最大强度设计目标、接头等强度设计目标与传动系统轻量化设计目标,获得复合材料齿形接头的最优设计方案。结果表明,金属齿槽内复合材料采用环向铺层（90°）时,不易发生齿面压缩失效,相较于其他铺层方式强度最高。在复合材料齿-轴管结合面处铺设90°纤维层,可以提高齿根区域抵抗分层剪切失效的能力。优化后铺层可令接头失效扭矩提升至1772.0 N×m,较初始0°铺层提高16.11%;接头中齿数或复合材料齿宽度增加,可提升复合材料齿的极限承载力,但会降低金属齿安全裕度;增加齿高虽然可以提升金属齿/复合材料齿的齿面抗挤压能力,但会导致齿根部位的法向拉伸应力增大,削弱齿根性能;增加齿长,可提高接头承载水平,但会增加系统总重,造成结构冗余;通过本文建立的多目标遗传优化算法,在保证连接结构整体强度的基础上,实现了轻量化、等强度设计目标;较传统金属齿形压装接头,可实现接头段减重70%以上,有效降低了传动轴重量。