薄膜结构具有重量轻、变形大、易于收纳和折叠等优点,在太阳帆、薄膜天线和柔性电子仪器等航天装备中得到了广泛的应用。但是由于薄膜结构抗弯刚度极低,在某些区域产生压应力时,薄膜结构会因局部屈曲变形而产生褶皱。而在大多数航天装备中产生褶皱会严重破坏膜结构的力学性能和可靠性,这可能导致薄膜天线反射器精度降低,太阳帆光照不均匀等现象的发生。如何有效量化褶皱和抑制褶皱产生,在航天领域已经成为一个具有挑战性的课题。研究发现,实验中测量的薄膜褶皱幅值经常会大于仿真计算中褶皱的幅值。其主要原因是相较于仿真中的完美几何,实验薄膜所含有的几何缺陷对褶皱幅值影响很大,所以如何量化缺陷对褶皱造成的影响成为本文研究的重点之一。薄膜褶皱是非线性程度很高的后屈曲行为。面对复杂问题,提出合理的优化模型以及对优化模型准确求解是本文在抗褶皱优化设计方面解决的主要问题。在优化算法方面,提高算法的效率和精度,处理应力约束和在不能获得灵敏度信息的情况下完成优化计算都是本研究需要克服的困难。基于以上研究背景,本文开展了算法创新,航天薄膜褶皱不确定性量化和抗褶皱优化设计研究。具体内容包括:(1)提出了一种基于Kriging代理模型的并行计算全局优化算法。该算法大幅提高了全局优化计算效率和优化计算精度。根据Kriging代理模型的期望提高函数具有多峰的特性,在每次序列采样中同时搜索EI函数的多个峰值,并在峰值和峰值周围同时增加样本提高计算效率。另外,使用设计域缩减策略有效提高优化精度。相较于同类算法,本文所提出的优化算法精度提高约一个量级,计算效率提高了近三倍。(2)考虑初始厚度缺陷量化薄膜褶皱幅值。薄膜在制造环节产生初始缺陷是不可避免的。本文针对厚度缺陷对拉伸薄膜褶皱的影响进行了实验和数值研究。利用有限样本测量数据和具有空间相关性的有界场方法,描述缺陷信息以及建立褶皱量化模型。基于Kriging代理模型优化算法有效地对褶皱量化问题求解,并通过Monte Carlo模拟进行验证。(3)基于应力拓扑优化方法消除薄膜褶皱。根据主应力准则建立了在主应力约束下的薄膜无褶皱拓扑优化模型。为了使优化问题在数值计算上易于处理,将主应力约束转化为等价形式并采用余弦型松弛函数进行放松约束。使用伴随法灵敏度分析和基于梯度的优化算法求解改进后的优化问题。通过后屈曲仿真和实验,验证了所提出方法在消除薄膜褶皱方面的有效性。(4)通过夹具形状优化设计抑制大变形薄膜产生褶皱。夹具为拉伸薄膜提供了载荷和边界条件,因此它们对薄膜结构的应力和褶皱分布起到了关键作用。本文提出了一种全局优化的方法设计薄膜夹具的形状来抑制薄膜褶皱产生。优化目标是最大化薄膜主应力的最小值,优化问题通过基于Kriging代理模型优化算法求解。相比于其它的抑制褶皱方案,本方法可以不减少薄膜的有效工作面积。(5)基于材料场方法和Kriging代理模型提出一种非梯度拓扑优化算法。通过材料场级数展开有效减少设计变量个数,在η-空间建立拓扑优化模型。使用基于Kriging代理模型的优化算法在不需要推导原问题梯度信息条件下求解拓扑优化模型。经过多种拓扑优化算例验证了所提出方法的正确性和有效性。并将其扩展到了拓扑-形状组合优化设计中,通过本方法设计的薄膜和夹具在抑制薄膜褶皱方面具有更好的效果。更重要的是由于不需要推导梯度信息,本方法在解决多学科和高度非线性的拓扑优化问题方面具有巨大潜力。