纤维增强复合材料较大的性能分散性是制约其进一步应用的重要因素。利用复合材料的特性,通过合理的优化设计,提高结构可靠性,对复合材料结构广泛应用于更多场景具有重大意义。目前对复合材料结构可靠性的分析和设计主要考虑铺层角、层厚等宏观因素,这样的结构可靠性分析缺少对复合材料分散性根源上的研究;仅考虑宏观参数的设计在提高结构可靠度、减少厚度和减轻质量等方面还有较大的冗余量,没有考虑不同层不同纤维体积分数的情况,不能充分发挥复合材料的优势。为此,本文从细观参数出发,对复合材料宏观力学参数进行考虑分散性的性能预报,进而建立考虑细观、宏观参数的可靠性分析模型,最终实现对复合材料结构做协同多尺度参数的优化设计。以下为全文主要研究内容:(1)建立了考虑分散性的复合材料宏观力学参数与细观参数之间的传递关系。通过综合调研复合材料细观参数及其分散性数据,给出了典型型号复合材料的细观参数统计分布;利用桥联模型和蒙特卡洛方法,建立了考虑分散性的复合材料宏观性能预测模型,得到了复合材料细观、宏观参数统计规律的传递关系,并对预测结果做了分布检验和灵敏度分析。(2)得到了以细观参数为变量的复合材料层合板的结构可靠性分析模型。结合复合材料参数传递模型和宏观力学理论,得到了层合板细观参数对载荷的应力-应变关系;进一步利用结构可靠性理论,根据层合板的应力应变关系,得到以细观参数做变量的层合板结构可靠性分析模型,并对不同载荷、不同层数下结构可靠性指标做了验证。(3)建立了协同多尺度参数的层合板结构可靠性优化设计模型。基于遗传算法基本原理,对层合板建立了以纤维体积分数和铺层角为自变量、以结构可靠性指标为约束条件,以最小质量为目标函数的优化设计模型。优化设计的结果表明了协同考虑宏观、细观参数确实能在保证可靠度的条件下实现结构减重设计,并分析了载荷条件、载荷大小、层数等因素对减重设计效果的影响。结果表明,层合板在受弯矩载荷作用下,协同多尺度参数的优化设计效果非常明显。(4)对某型号飞机复合材料起落架结构优化设计利用ABAQUS有限元仿真软件对SR20飞机起落架中的复合材料结构做有限元分析,得到在飞机降落时,起落架复合材料结构的受载条件与应力云图,并据此对起落架的主架、前后翼肋做结构可靠性分析,得到其结构可靠性指标。在满足结构可靠性指标的条件下,对起落架主架和前后翼肋做协同多尺度参数的减重设计。结果表明,考虑不同纤维体积分数和铺层角的优化设计方法能在保证可靠度条件下明显减轻结构质量,验证了多尺度优化方法的有效性。