随着我国运载火箭设计水平的长足发展和载人登月、深空探测等国家重大安全需求,运载火箭结构系统的复杂程度显著提高,相关舱段和零部件数量增多,导致面向多部段的结构优化设计难度剧增。运载火箭中均采用多部段结构,对其进行分析与优化往往面临有限元分析模型规模大,结构优化设计变量多,优化时间成本巨大等一系列挑战。在传统工程设计手段中,对航天筒壳结构均匀加筋,即结构敏感区域与非敏感区域采用相同设计,在非敏感区域难免造成材料浪费,不利于实现航天结构减重设计。分区设计与不均匀加筋设计可以充分挖掘结构承载潜力,是提高航天承载结构精细化设计水平的重要手段。本文以火箭助推段为研究对象,基于ABAQUS软件建立多部段的三维有限元壳体模型。引入广义结构刚度U~*的概念,通过循环固支结构每个节点得到整体结构的广义结构刚度云图,提出三维结构的主传力路径提取方法。将结构按照单元从上到下分层,通过拟合每层的最小广义结构刚度值所在节点得到助推结构的主传力路径。利用均匀性评价指标比较实际传力路径与理想传力路径之间的差别,并结合结构应力分析与拓扑优化对结构进行合理分区。在此基础上,首先基于代理模型和最小化响应面准则对斜锥段与直筒段进行协同优化,以结构质量为约束,以整体承载力最大化为优化目标,结果显示,结构分区后均匀加筋优化能够在不提高质量的情况下提高承载力12.4%。进一步,建立航天多部段分区结构的非均匀加筋设计优化框架。基于PCHIP插值函数与n-d曲线,在均匀加筋优化设计基础上,提出针对航天网格加筋结构的非均匀加筋表征与优化方法,进而以结构整体质量为约束,各区域纵筋个数和纵筋角度分布系数为变量,最大化结构承载力为目标,优化结构各个区域纵筋的分布。结果显示,在结构更敏感部位筋条密度明显增加,质量利用率提高,符合设计预期,分区非均匀加筋优化方法能够在不提高质量的情况下提高承载力27.2%。针对航天结构中应用较多的放样曲面结构段,本文基于结构传力路径分析,提出放样曲面的加筋分布角度设计方法,通过与传统正置正交加筋设计对比,能够在筋条厚度远小于正置正交加筋厚度的情况下,有效抑制放样曲面局部屈曲。本文工作对航天结构多部段设计具有一定的参考价值。