航空航天飞行器等高端装备中存在大量连接结构,如何控制紧固件连接载荷(钉载)是结构强度设计中存在的重要问题。本文着重开展了考虑钉载约束的连接结构拓扑优化设计方法研究,包括连接结构刚度设计,抗疲劳性能设计,以及对大变形几何非线性效应和加强筋布局设计的考虑,充分阐明在结构概念设计阶段紧固件连接部位的承载性能对传力路径的影响。主要研究内容如下:(1)建立了考虑钉载约束的连接结构拓扑优化设计方法。针对有限元分析中钉载及其分配规律、连接部位力学行为等方面,开展了紧固件三维实体、等效梁单元以及组合单元三种不同建模方法的对比分析研究,结合梁理论及其有限元列式推导了考虑剪切效应的紧固件钉载灵敏度。针对实际问题中紧固件数目多、钉载约束计算量大的问题,采用P范数约束凝聚技术实现了灵敏度求解过程的简化和优化计算效率的提高。结合3D打印技术制造了拓扑优化构型样件,并通过静力加载实验对拓扑优化结构的承载性能和钉载设计结果进行了测试,验证了考虑钉载约束的连接结构拓扑优化方法的有效性。(2)发展了考虑疲劳性能与钉载约束的连接结构最大刚度拓扑优化设计方法。在考虑钉载约束的同时,引入Sines和Crossland准则作为疲劳性能设计约束。使用平均应力系数和应力幅值系数,对结构所受的周期性简谐载荷进行分解,求解疲劳准则中涉及到的等效应力幅值和等效平均应力,同时,针对疲劳性能依赖应力分布而产生的奇异性问题,使用q-p松弛方法对疲劳约束进行松弛,并采用P范数实现了多约束的凝聚。通过数值算例对比研究了两种疲劳准则的优化结果。(3)研究了考虑几何非线性效应的连接结构拓扑优化设计方法。以大展弦比、大跨度飞行器结构设计需求为背景,结合非线性牛顿-拉夫逊(NR法)迭代格式,采用伴随法推导了考虑几何非线性效应的平衡柔顺度与钉载约束的半解析灵敏度公式。其次,针对密度变量法在处理几何非线性大变形结构拓扑优化问题时存在严重数值不稳定现象,提出超单元凝聚技术,一是通过凝聚弱单元区域内部自由度,避免了拓扑优化过程中弱单元扭曲与刚度矩阵非正定问题;二是通过超单元扩展提取弱单元区域单元响应并求解其灵敏度,充分考虑了弱单元的影响。最后,在优化过程中对SIMP材料插值模型惩罚系数、灵敏度过滤半径以及弱单元凝聚阈值进行渐近延拓,保证了分析和优化迭代的数值稳定性。数值算例验证了考虑几何非线性效应拓扑优化求解方法的有效性。(4)提出了考虑钉载约束的加强筋布局设计方法。在基于密度变量拓扑优化设计方法的框架下,根据航空航天飞行器薄壁加强筋结构特点,提出加强筋高度-布局协同设计优化模型,采用基于多项式分段函数的高度变量插值模型描述加强筋高度,并引入独立的列设计变量描述加强筋布局。分析优化模型中分段函数潜在的不连续性,据此推导优化目标和设计约束关于加强筋高度设计变量、布局设计变量的灵敏度,并通过数值算例验证了考虑钉载约束的加强筋设计方法的合理性,实现加强筋的高度和布局协同优化设计。