随着空间技术的发展,航天器大型附件结构(如大型伸展臂、太阳翼、大型星载天线等)的需求变得越来越迫切。在满足附件结构功能要求的前提下,如何实现质量最小化是现阶段结构优化设计的重要研究方向。而另一方面,大型附件结构使航天器系统为典型的刚-柔耦合多体系统,航天器在姿态调整、变轨运行等工况下,姿态的变化及动载荷的响应分析是进行系统预研和结构总体设计的关键问题。针对这两个问题,本文主要以航天器环形桁架可展天线结构为背景,考虑包括太阳翼、体装式天线附件结构,深入研究结构动力学优化设计及刚柔耦合动力学问题,主要内容包括:研究了蜂窝夹层和环形桁架结构的力学性能及其在航天器部件设计中的应用。分析了正六边形蜂窝夹层结构的等效参数确定方法及受力特性,用数值方法验证了蜂窝夹层结构模型的准确性。对比研究了不考虑表层面板和考虑表层面板的抗弯作用下,蜂窝夹层结构的力学性能差异,并分析了蜂窝夹层结构的等效模型。研究了环形桁架可展天线的结构特点,建立了相应的有限元模型,主要分析了环形桁架可展天线的模态特性,并提出了以相似理论预测环形桁架可展天线基频的方法。对环形桁架可展天线结构参数进行了灵敏度分析。分析了以全局差分法、半解析法和数值解析法求解结构参数灵敏度的分析过程,推导了结构刚度矩阵对设计变量的求导,以Newmark方法推导了动力学中位移响应灵敏度的分析方法。分别针对环形桁架可展天线结构的桁架高度、杆件结构内/外径、天线口径等参数,研究了环形桁架可展天线结构参数的灵敏度特性,并研究了索网预应力与环形桁架可展天线基频的关系。研究了基于代理模型的优化算法及其在环形桁架可展天线优化设计中的应用。根据采样策略的不同,分析了试验设计方法在结构优化设计中的应用,并推导了三种代理模型算法,即PRS、Kriging、RBF方法,并对这三种代理模型的精度进行了评估。以Kriging模型为适应度函数及约束函数,利用GA算法求解了环形桁架可展天线结构参数的优化问题,并对优化结果进行精度对比分析。分析了PSO算法中惯性权重ω、自学因子1c和全局学习因子2c在优化过程中参数选择对优化性能的影响,并研究了PSO算法在环形桁架可展天线优化设计中的应用。提出了基于Kriging代理模型的QPSO优化算法及其在环形桁架可展天线结构参数优化中的应用。研究了几种改进代理模型的方法:增量响应面算法、改进的Kriging模型(包括EGO、SKO算法)等,并建立了基于PRS、RBF和EGO/SKO模型的优化算法,构建了两种混合算法HAM算法和MSGO算法,并对比分析了各种算法的优化结果,指出了各种算法在解决环形桁架可展天线结构优化问题的优缺点。研究了航天器挠性附件结构与航天器之间的耦合动力学。建立了带挠性梁结构的航天器姿态动力学模型,并将之推广到复杂的挠性附件结构,构建了考虑复杂挠性附件结构的航天器姿态动力学模型。针对航天器体装式结构天线、太阳翼结构以及环形桁架可展天线三种挠性附件结构,探讨了这些挠性附件结构对航天器姿态动力学的影响。研究了太阳翼结构与航天器姿态的耦合效应,引入一体化设计的思想,建立了基于结构动力学、姿态动力学、结构优化等多学科领域的联合仿真分析方案,并对仿真结果进行了分析。研究了考虑航天器在轨运行期间太阳翼结构的转动对刚柔耦合系统的影响,深入分析了刚柔耦合的机理。系统设计了航天器姿态-轨道耦合仿真系统。建立了航天器姿态-轨道耦合仿真系统的总体设计方案和软件配置体系;研究了非保守力摄动对航天器轨道的影响,针对静止轨道航天器,建立了太阳光压模型,分析了太阳光压模型对航天器姿态和轨道的影响。设计了航天器姿态-轨道耦合仿真系统的功能实现过程,包括结构动力学模块、结构优化模块、姿态动力学模块、轨道确定计算模块和系统集成环境等。设计了航天器姿态-轨道耦合仿真系统各模块的接口及参数列表。论文将挠性附件结构的优化设计问题和刚柔耦合系统结合起来,一定程度上解决了工程中结构设计中存在的问题,具有一定的理论意义;同时,论文中所研究的理论、模型和算法考虑了实际工程约束,具有一定的工程实践价值,能为航天器附件结构的设计提供一定的技术支持和参考。