复合固体推进剂是一种高颗粒含量的粘弹性复合材料,其力学性能一定程度上决定了固体发动机的结构完整性和贮存寿命,影响着固体导弹武器的可靠性和安全性。新一代导弹武器对固体推进剂力学性能提出了严峻挑战,现有设计方法难以满足要求,本文从细观尺度入手,基于二维Voronoi单元有限元方法（Voronoi Cell Finite Element Method,VCFEM）,对推进剂的模量和泊松比等力学性能参数进行了预示和设计研究。本文主要包含如下工作:结合改进的随机投放算法和基于颗粒的Voronoi网格划分方法,提出了推进剂细观代表性体积单元（Representative Volume Element,RVE）模型的构造方法。基于三组元复合固体推进剂微型CT照片归纳了推进剂的细观结构特征;结合多向沉降算法,发展了可构造多级配、高颗粒含量几何仿真模型的颗粒随机投放算法,并对生成的细观几何仿真模型的合理性进行了校核;提出了考虑颗粒半径的Voronoi网格划分方法,该方法可以避免切割颗粒,完成对推进剂几何仿真模型的有限元离散。提出了基于弹性VCFEM的推进剂力学性能预示方法。将弹性VCFEM和直接均匀化方法结合,预测了推进剂的等效模量和等效泊松比,利用传统位移有限元方法和经典解析法对预示模型的正确性进行了验证;为排除模型不确定性带来的干扰,借鉴蒙特卡洛理论计算了随机生成RVE模型的力学性能,分析了推进剂组分材料、夹杂相含量及级配等细观参数对推进剂等效力学性能的影响规律;提出了含过渡相的Voronoi单元有限元方法,分析了不同过渡相厚度和过渡函数对推进剂等效模量和等效泊松比的影响规律。提出了基于简化粘弹性VCFEM的推进剂力学性能预示方法。引入质心Voronoi网格划分方法,提出了用于简化粘弹性VCFEM的RVE模型构造方法;运用改进的变步长时域自适应算法,建立了基于简化粘弹性VCFEM的推进剂力学性能预示模型;分析了夹杂相含量、组分材料性质和构造形态等细观特征参数对推进剂等效蠕变柔量的影响规律。提出了基于含夹杂相粘弹性VCFEM的推进剂力学性能预示方法。推导了Prony级数粘弹性本构模型在时域内的离散形式,提出了含夹杂相粘弹性VCFEM,并利用二分法对推进剂的等效松弛模量进行了预示,根据RVE模型的应力场分布,给出了应力集中系数的计算方法;分析了基体相初始模量、夹杂相质量分数、级配的粒径比和质量分布对推进剂力学性能的影响规律。构建了基于三维匹配预示模型的推进剂力学性能优化设计方法。从推进剂力学性能设计需求出发,提出了三维二维几何匹配的RVE模型构造算法,结合松弛试验和定速拉伸试验结果,建立了二维到三维修正模型,形成了面向设计的预示模型;结合神经网络和遗传算法,提出了参数筛选、初始配方确定和局部优化调整三阶段优化算法;结合应用实例阐述了算法的具体实施步骤,初步验证设计方法的可行性。论文的研究成果可为固体推进剂的力学性能预示和设计提供重要的参考,具有较好的工程应用前景。本文提出的预示模型和设计方法也适用于其他类似的颗粒增强复合材料。