由于大空域、超高速和高机动性等超前设计目标,迫使空天飞行器的主承载结构追求极致的轻量化设计。为了尽可能减少冗余质量,空天飞行器的主承载薄壁结构具有承载和气动维形高度一体化的设计特点,这导致该类薄壁结构不仅承受发动机推力所带来的巨大面内载荷,还需抵抗气动来流所引发的面外载荷,从而具有极高的刚度设计指标,这对结构的轻量化设计极为不利。此外,结构形式的复杂特征致使其在满足承载性能下的轻量化设计难度进一步增加。上述高刚度薄壁结构的轻量化设计瓶颈难题,极大地制约了我国空天飞行器的巡航距离与机动性能等战术指标。围绕上述问题,本文提出了一种薄壁结构的高刚度多级加筋设计方法:通过布置主级稀疏加筋和次级密布点阵,对薄壁结构刚度进行层级增强,从而在有效提升结构面内和面外刚度的同时,实现结构的轻量化设计。为实现上述研究目的,本文开展了如下研究内容:1.为实现复杂薄壁结构的加筋设计,本文以传统变密度法为基础,提出了一种加筋约束实现方案,针对不同的结构形式特点,应用变量连接、Helmholtz各向异性过滤等技术,达到了对规则网格和不规则网格下负载平面和复杂曲面加筋设计的目的;2.针对当前飞行器舱段结构规模庞大和几何复杂特征导致周期性点阵计算效率低下的问题,提出了一套周期性结构工程快速等效流程,针对工程中常见的周期性结构和需要设计的新型微结构,分别应用了基于代理模型和渐进均匀化方法的周期性点阵模型降阶方法,从而实现了周期性结构在复杂薄壁结构分析中的高效计算;3.提出了一种薄壁结构的高刚度多级加筋拓扑优化方法:通过采用主级筋条与次级点阵设置分别增强薄壁结构整体与局部的刚度性能,从而有效提升不同层级的材料利用率,达到结构减重与性能提升的双重效果。结果表明,在结构的几何形式和承载边界复杂的前提下,高刚度多层级加筋设计具有显著的力学性能优势。相关优化算例表明,在相同的质量指标下,相较传统的单一层级结构,本文所提出的薄壁结构高刚度多级加筋拓扑优化方法可以实现薄壁结构面内和面外刚度的双重提升,从而验证了本文方法的有效性和正确性。