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本工作以航空航天结构系统的紧凑化、一体化和轻量化设计为出发点，在传统的多组件结构系统布局优化设计工作的基础上，提出了包含部件隔框的多舱段多组件结构系统布局优化设计问题。对包含大量组件设备、非干涉约束的多组件结构系统布局优化优化设计方法进行改进和发展，并根据所提出的方法对包含部件隔框的多舱段多组件结构系统布局优化设计问题进行研究。本工作的主要创新点包括： 首先，为了解决优化算法因处理大量组件非干涉约束而难以收敛、甚至无法求解的问题，本文提出了改进的惩罚函数方法。本工作用有限包络圆方法描述组件的非干涉约束，将大量的非干涉约束以惩罚项的形式添加到刚度优化问题的目标函数中，建立了参数可控、易于理解的新的目标函数，减少了优化问题包含的约束条件。推导了应用改进的惩罚函数后的包含大量组件、非干涉约束的多组件结构系统布局优化设计问题的灵敏度。为了验证方法的有效性与适用性，我们分别对不同初始干涉程度下的多组件结构系统进行布局优化设计，优化结果很好地证明了本工作提出的方法的有效性。 其次，本文提出了一种解决包含部件隔框的飞行器多舱段多组件结构系统布局优化设计问题的方法。在传统的多组件结构系统布局优化设计方法的基础上，引入了自身可进行拓扑优化的可动的部件隔框，在优化过程中同时考虑了组件设备在相应部件隔框上的布局、部件隔框在主体结构中的布局、部件隔框的材料布局、主体结构的材料布局这四类设计变量。组件、部件隔框、主体结构之间的连接关系用多点约束技术模拟，应用本工作提出的改进的惩罚函数方法建立了多舱段多组件结构系统布局优化设计问题的数学模型。我们引入了系统的质心位置约束，研究了系统质心位置约束的有无、部件隔框的材料属性、部件隔框的材料用量、主体结构的材料用量等因素对系统性能的影响。数值算例的优化结果表明部件隔框的空间布局和支撑材料布局作为设计变量参与到系统的优化设计中后，我们得到了更好的设计结果，该方法为多舱段多组件结构系统布局优化设计提供了更多的设计自由，扩大了寻优范围。 最后，我们成功地将本工作提出的方法应用在典型的飞行器多舱段多组件结构系统布局优化设计问题中。事实证明，在多舱段多组件结构系统布局优化设计中，组件及其部件隔框能够组成了一个一体化的承载系统，这个承载系统与主体结构共同作用、相互耦合以达到系统性能的最优。本工作为复杂结构系统的整体式布局优化设计提供了技术基础。