临近空间太阳能无人飞机作为高空长航时的新能源飞行器在航空航天领域已经成为了研究热点,其在通信中继、气象监测、灾情监测、导航、侦察等方面具有极大的工程应用价值和发展潜力。围绕大展长、大展弦比太阳能飞机机翼主梁高刚度、高强度和轻量化的要求,本文提出了薄铺层复合材料桁架结构主梁的设计方案,以期利用桁架结构的高刚度承载优势和薄铺层复合材料高强度优势,实现大跨度机翼主梁的结构轻量化。本文首先对不同构型的复合材料主梁(工字梁、箱型梁、管状梁和桁架结构梁)进行了承载效率的对比分析,对承载效率最优的复合材料桁架结构主梁进行了构型设计和多参数的优化设计,并对优化设计方案进行了实验验证;然后对薄铺层复合材料的强度性能进行了实验、数值和理论分析,并采用声发射技术揭示了其损伤破坏机理;最后将薄铺层应用到复合材料机翼桁架结构主梁管状结构件的铺层设计,并评估了其承载性能。采用Isight平台集成有限元软件ANSYS对机翼主梁实现了几何构型的自动化多参数优化设计。对比设计结果表明,桁架结构主梁相比于工字梁、箱型梁、管状梁具有最高的承载效率。制备了正方形截面桁架主梁结构试验件,采用“锤击法”测试其振动模态和振动频率,实验结果与有限元模型分析结果相吻合。为提高基于声发射信号甄别复合材料不同损伤和破坏模式的准确性,本文设计了纯树脂浇注体、含纤维束树脂浇注体以及预制分层裂纹的三种标定试样,获得了有效甄别复合材料基体损伤、基体断裂、分层或界面脱粘以及纤维断裂对应的声发射信号峰值频率。采用不同厚度的T300碳纤维/环氧薄铺层预浸料,分别制备了单向、正交和准各向同性铺层层合板。复合材料力学性能测试结果显示,对比标准铺层(铺层厚度0.125 mm,T-125)层合板,铺层厚度分别为0.055 mm(T-55)和0.020 mm(T-20)的薄铺层层合板具有更高的单向拉伸强度和短梁剪切强度。开孔拉伸结果表明,薄铺层层合板具有较高的起始损伤强度(即较高的损伤阻抗),但最终开孔拉伸强度相对较低。不同铺层厚度复合材料薄壁管轴压屈曲实验结果显示,减薄铺层厚度有利于提高复合材料薄壁管轴压屈曲载荷。正交铺层方式的T-20和T-55管相比于T-125管的轴压屈曲载荷分别提高了53.69%和16.63%;均衡铺层方式的T-20和T-55管相比于T-125管的轴压屈曲载荷分别提高了12.59%和9.68%。理论计算表明轴向弯曲刚度的改变是复合材料薄壁管轴压屈曲载荷随铺层厚度减薄而增大的主要因素,此外,层间剪切应力在薄铺层复合材料薄壁管中趋于均质化分布也使得其抗屈曲能力提高。采用T-55薄铺层对复合材料桁架主梁管状结构件进行了铺层的再设计,管的弯曲测试结果表明,T-55管与T-125管具有基本相当的弯曲刚度,但极限弯曲载荷提高了26.89%。声发射检测和有限元渐进损伤模拟结果表明,薄铺层管表现出更高的损伤容限和更少的损伤区域面积。