推进剂贮箱是运载火箭中最关键的部件之一,其结构的轻量化对提高火箭运载效率和降低火箭发射成本至关重要,也是我国航天领域的重大需求。与传统金属贮箱相比,高性能复合材料贮箱在结构轻量化方面具有更大的提升空间。复合材料压力容器常用的含内衬构型会存在许多缺点,例如,箱体重、工序多、大尺寸超薄内衬制造工艺复杂以及内衬/箱体蒙皮在低温下热膨胀系数不匹配等,因而,无内衬复合材料贮箱成为未来新型轻质贮箱的热门方向。目前,部分发达国家成功制造用于航天飞行器的无内衬复合材料贮箱,而我国相关技术还处于初步发展阶段。基于此背景,本文以3.35m直径复合材料贮箱为研究对象,以复合材料圆柱壳结构稳定性设计为主线,对复合材料贮箱结构总体设计、稳定性分析、强度校核、贮箱共底设计、功能附件设计和安全评价方法等关键问题开展了研究,主要内容和结果包括:基于Reissner壳理论,将弹性圆柱壳屈曲问题的哈密顿求解方法拓展到复合材料,建立了非均匀复合材料圆柱壳屈曲问题和非均匀载荷下的圆柱壳变形问题的力学模型,并形成了一种数值求解方法,通过试验手段对该方法的精度和可靠性进行了验证。将该方法用于复合材料贮箱的稳定性分析,为贮箱结构的稳定性设计提供了基本理论支撑,并为共底式贮箱稳定性设计、偏心加载的贮箱稳定设计以及基于应变分析的贮箱结构健康监测技术等方向提供了基础框架。基于哈密顿体系的稳定性分析方法,结合有限元的强度校核方法,设计了3.35m直径无内衬的碳纤维/环氧复合材料贮箱,较同级别金属贮箱可减重25.5%。其中,设计了法兰与主箱体之间Y型连接方法,保证了贮箱结构一体化成型,可大大减少连接结构数量;考虑了复合材料防渗漏问题,并基于可行工艺设计了三种铺层方式,包括基于测地线铺层方案、基于非测地线铺层方案和采用碳纤维编织布全包覆的铺层方案,对比分析了各自的优劣;以最大应变准则校核了贮箱低温下的结构强度,并依据Hashin损伤准则对贮箱进行了失效分析;以首层失效理论为依据,建立了一种贮箱疲劳寿命预测模型,并对所设计贮箱进行了疲劳寿命分析。设计了三明治夹芯式贮箱共底,通过有限元仿真手段,对其隔热、变形、稳定性及热-力耦合下的强度等问题进行了分析。数值结果验证了所设计的铝锂合金-硬质聚氨酯泡沫的夹芯式结构的可行性。以分析结果为依据,提出一种共底式贮箱的简化模型,将问题归结为非均匀贮箱和局部附加载荷问题。利用哈密顿体系下辛本征解展开原理及辛本征解的共轭正交关系,得到了共底式贮箱屈曲问题解的表达式。采用该解分析了贮箱屈曲临界载荷与模态随附加轴压大小、壳体长度、壳体厚度等因素变化的规律。根据贮箱消能器数值模拟,设计了一种简易贮箱增压系统功能附件—喇叭口型消能器,并通过PIV流场测速试验验证仿真模型可靠性。进一步设计和优化了具有更高效率的球筛型消能器,可将高速增压气体的流速降低一个数量级,从而提高了增压气体空间流速分布的均匀性,并避免了推进剂液面的飞溅。通过对筛孔形式分析,确定出圆形筛孔更能提高贮箱消能器均匀性。由于加装消能器致使贮箱所承受的载荷为非均匀性的,所以需要分析这种偏心载荷作用下贮箱的稳定性,研究结果给出了相关设计参数与贮箱屈曲临界载荷的变化规律。针对含损伤的圆柱壳贮箱结构损伤监测问题,根据哈密顿体系下的贮箱解的表达式特点,建立了以局部测试应变对整体结构应变场再现的力学模型及求解方法。采用基于瑞利散射的分布式光纤传感技术对复合材料贮箱在静水压力作用下的局部应变信息进行了采集,并获得了具有较高信噪比和高空间分辨率应变数据。为了验证光纤传感技术的有效性,采用辛求解方法与分布式光纤传感技术相结合对三种含不同缺陷的铝合金圆柱壳的应变场进行了研究。对比结果表明,数值结果与试验结果具有相似的应变变化趋势,且该方法使圆柱壳结构的环向和轴向应变能够实现误差在毫米级的缺陷定位。该种圆柱壳结构的损伤监测方法为实际工程中贮箱结构的安全评估提供了一种技术可能性。