论文结合航天运载器复合材料贮箱的发展趋势及目前工程应用中存在的实际问题,采用理论分析与有限元模拟相结合的方法,开展低温复合材料贮箱结构设计方法研究,以揭示热力耦合载荷下复合材料贮箱结构的失效规律,构建考虑低温下复合材料贮箱细观应力场的结构分析方法、稳定性分析方法和优化设计方法体系。主要研究内容如下:基于细观力学有限元方法,提出了一种低温复合材料结构的多尺度层次化分析方法。通过设计低温单层复合材料力学性能测试矩阵,选择合适的代表体元,推导相应边界条件,并计算低温下和随温度变化的复合材料力学性能,提出了一种多尺度层次化分析方法,通过在细观上对代表体的六个单元应力场进行叠加,获得宏观结构在已知响应下的细观应力场,从而对复合材料的强度参数进行预测。提出了一种针对低温无内衬复合材料贮箱结构的多尺度层次化损伤分析方法。针对宏观损伤分析方法无法考虑贮箱细观上基体失效的问题,基于一阶剪切层合理论,并结合多尺度层次化分析方法,建立了多尺度层次化损伤分析方法,然后采用细观最大应力准则和“基体穿孔”最终失效判据,对低温下复合材料铺层相邻层的角度、不同失效准则、不同材料性能等的影响特性进行了分析。提出了基于多尺度层次化分析方法的低温贮箱设计与优化方法,改进了传统的网格理论。根据损伤分析方法,研究了低温复合材料贮箱在热、力耦合载荷下的力学性能,在此基础上建立了以最小化基体主应力为目标的目标函数,构建了结合多尺度层次化分析方法对低温复合材料贮箱优化设计的一般流程。同时,考虑几何非线性和材料非线性,对低温复合材料贮箱的稳定性进行了分析研究。建立了复合材料网格结构有限元分析模型与分析方法,并开展了贮箱局部部段复合材料网格结构的承载性能试验。基于复合材料网格结构的刚度等效分析模型,研究了复合材料网格结构有限元建模与分析方法,以用于贮箱结构精细化设计,开展了贮箱局部部段复合材料网格结构的承载性能试验,并与有限元分析结果进行对比,验证了复合材料网格结构分析方法的有效性。本文研究成果可为我国新型航天运载器复合材料贮箱的设计工作提供理论基础和技术支撑,为我国突破无内衬低温复合材料贮箱的结构设计难题奠定基础,具有重要的理论意义和应用价值。