在飞机结构设计中,对于飞机主承力构件的轻量化设计十分关键。布局优化技术是目前开展结构轻量化设计研究十分有效的手段之一。拓扑优化作为布局优化技术的一种重要方法,正被更多的结构设计者所关注。实际上,无论是拓扑优化还是其它布局优化技术,其本质都是在寻求最直接的传力路径,即传力路径最短。本文基于研究传力路径的重要意义,首先从研究Michell桁架准则入手,引入结构承载因子概念,以结构的传力路径作为设计变量,通过在传力路径上对结构内力进行积分,得到相应的结构承载因子。由于该承载因子是结构传力路径的泛函,以此本文用变分法导出对应结构最短传力路径的微分方程,并用里兹法求解该微分方程,得到结构的最短传力路径。并和用Michell桁架理论得到的最小质量桁架进行比较,证明了本文提出量化模型的有效性。接着,通过对飞机机身加强框的传力分析,分别采用基于传力路径的解析方法和数值优化方法,优化得到了最优的刚框缘条轮廓和最佳的刚框内力分配比值。通过对比优化结果,其最大误差在5%以内,证明了量化模型的正确性。最后,通过对相同外形和载荷作用下的半框有限元模型进行尺寸优化,得到了与解析模型相同的结构承载因子,证明了本文提出解析模型的有效性。同时,优化后的结构最小质量略高于解析解,表明本文提出的解析模型能够估算传力结构的最小质量,也为设计者在结构减重设计时提供了一个参照目标。