复合材料桁架重量轻、跨度大、结构形式灵活,是航空航天飞行器结构的重要部件。为进一步提升复合材料桁架承载效率,考虑工艺离散导致的结构参数不确定性,本文开展了全碳纤维复合材料桁架制备、承载性能分析与试验、结构可靠性分析等研究工作,主要研究内容包括:针对全碳纤维复合材料桁架,提出并建立了一体化组装的制备方法,摒弃预先单独成型接头的方式,直接对预制杆件现场进行复合材料连接,将接头成型过程与桁架组装过程融为一体,完成了全碳纤维复合材料桁架的高精度整体制备。设计了由组合三角板构成的主杆固定工装,保证了成型桁架几何精度;发明了由胶接薄壳、缠绕纤维束和覆盖织物3步骤构成的复合增强杆件连接方法,避免了金属连接件的使用,保证了连接强度,实现了更高的承载效率;研制了专门针对单个连接部位的拼合式固化装置,降低了固化成本。这些使得连接操作简便灵活,缩短了桁架制备周期并降低了制备成本。采用该制备方法,制备了中空正三角形截面狭长梁式全碳纤维桁架样件,通过与两种典型商品全复合材料桁架性能的对比,验证了本文制备桁架在承载效率和几何精度上的优势。为建立兼顾精度和效率的全复合材料桁架承载性能仿真模型,进行相应的仿真分析与验证。引入结构多尺度有限元思想,通过给出不同网格模型界面的连接方法,建立了疏密网格结合的仿真模型,实现了对接头局部作用的考虑,在具有与全部精细化仿真模型相当精度的前提下大幅度提升了仿真效率,为进一步进行桁架可靠性分析提供了高效仿真模型。建立了桁架专用弯曲、扭转和振动实验装置,通过实验结果验证了疏密网格结合仿真模型的准确性,在扭转刚度实验中发明了基于位移转换的转角测量方法,解决了小转角精确测量的难题。同时通过与全部精细化仿真模型和梁单元模型结果的对比,验证了疏密网格结合模型对仿真精度和效率的兼顾。此外,针对桁架初步设计需求,引入均匀化等效思想,分别基于闭口薄壁杆等效和均匀梁等效给出了桁架扭转刚度和振动特性的等效分析方法。为降低复合材料桁架单失效模式可靠性分析成本,通过给出所需样本点更少的模拟方式,并建立高效样本点分类方法,提出了基于自适应支持向量机的局部蒙特卡罗模拟可靠性分析方法,在保证精度条件下实现了计算成本的有效降低。在模拟方式方面,提出只针对重要区域进行模拟的局部蒙特卡罗模拟,并给出了重要区域的定义;同时引入H-L(Hasofer-Lind)可靠度指标直接识别安全点,实现了待分类样本点规模和分类难度的有效降低。为高效分类样本点,采取自适应的方式构造支持向量机作为分类代理模型,并针对该过程提出基于最可能支持向量加点准则的自适应策略,成功地保持了较低的样本点分类成本。通过典型算例以及本文桁架分析验证所提可靠性分析方法的准确性和高效性。基于与该可靠性分析方法相同的思想建立了桁架单失效模式可靠性灵敏度分析方法,使相应可靠性灵敏度的分析不再耗费计算成本。采用所提方法完成了全复合材料桁架单失效模式可靠性及灵敏度分析,确定了桁架各单失效模式失效概率及其影响规律。为高效进行全复合材料桁架多失效模式系统可靠性分析,利用球外重要抽样的稳健性实现对系统可靠性的分析,通过充分挖掘Kriging预测信息提高球外重要抽样每一阶段的效率,提出基于Kriging的球外重要抽样方法(K-RBIS)。在K-RBIS第1阶段建立以失效点搜索为中心的最优半径逼近过程,实现了最优半径的快速确定,该过程给出了基于极限状态点的失效点搜索区域定义方法,使中间过程产生的近似最优半径的范围可以得到很好地控制;该过程提出了根据Kriging预测的点失效概率搜索失效点的方法,达到了快速发现失效点的目的;还针对该过程给出了保证精度并能加快逼近效率的二次收敛条件。K-RBIS第2阶段通过主动学习建立Kriging作为分类代理模型,并采用第1阶段所有计算点组成初始实验设计,有效降低了样本点分类成本。按照Kriging直接近似单失效模式功能函数对K-RBIS全过程进行改进,建立基于Kriging的球外重要抽样系统可靠性分析方法(系统可靠性分析的K-RBIS),取得了大幅度降低系统可靠性分析成本的效果。同时按照与系统可靠性分析的K-RBIS相同的思想建立系统可靠性灵敏度分析方法,利用系统可靠性分析的K-RBIS产生的信息给出系统失效中各单失效模式贡献评估方法,使相应分析无需计算成本。通过算例分析验证K-RBIS和系统可靠性分析的K-RBIS的准确性和高效性,采用所提系统可靠性分析相关方法对全复合材料桁架系统可靠性进行全面的分析,确定桁架系统失效概率及其影响规律,为桁架可靠性设计提供依据。