无轴承旋翼是先进的直升机升力系统，而复合材料三向柔性梁是无轴承旋翼桨毂的重要构件，是直升机结构设计领域富有挑战性的研究课题。本文研究了三向柔性梁结构优化方法，提出了一种无轴承旋翼桨毂构型方案。全文共分六章：绪论简要介绍了直升机旋翼桨毂系统的发展历程及国内外研究现状，指出了开展无轴承旋翼桨毂系统研究的必要性和重要意义。基于变分渐近梁剖面分析法，进行了大变形复合材料柔性梁的剖面特性分析研究。利用该方法以及工程优化软件，建立了一种通用的确定三向柔性梁扭转、弯曲段最佳剖面拓扑构型的多目标优化方法。根据第二章结论进行了复合材料三向柔性梁的结构设计。对柔性梁三个主要功能段进行结构布局与剖面刚度配置，并对柔性梁、桨叶模型的固有特性进行了分析。经过反复迭代与优化，得到满足结构与动力学要求的复合材料柔性梁。结合前一章设计的柔性梁，进行了无轴承旋翼桨毂系统的总体方案设计，并简要分析了这一多路传力系统的结构承载特点以及无轴承旋翼稳定性问题。利用有限元软件建立了柔性梁和变距扭管三维FEM模型并进行了结构应力分析，强度分析时所用的极限载荷根据直升机载荷手册计算，得到了柔性梁危险截面与层间剪切应力以及扭管开口处应力分布。最后一章简要介绍了本文的主要研究工作和结果，并进一步提出了后续研究与展望。