飞行器在技术准备和维护使用过程中,需要对头部结构进行分解和安装操作,但其工作量大,作战准备时间长,不利于飞行器系统的快速准备。另外,飞行器结构应在保证强度、刚度要求的前提下实现轻量化设计,以提高飞行器的承载能力、飞行速度、飞行距离。在飞行器结构轻量化设计途径中,拓扑优化是除采用轻量材料之外最为有效的方法,也是目前应用最为广泛、最具前沿的结构优化技术。因此,在满足结构强度、刚度、可靠性的基础上,开展飞行器头部快速连接结构的设计及拓扑优化研究,以减少飞行器的装配时间和结构质量,具有重要的意义。本文首先根据某型号飞行器头部连接工况,设计出了飞行器头部快速连接结构,包括整流罩、有效载荷、仪器设备三种典型部件的快速连接结构,为制定适合型号飞行器使用的快速连接方案提供参考。其次,研究了头部快速连接结构的力学特性。分析了头部快速连接结构的静力特性,验证了结构的强度与刚度符合设计要求。分析了头部快速连接结构的动力特性,获得了整流罩快速连接结构的振型以及它在正弦振动条件下的动态响应,得到了随机振动条件下仪器设备快速连接结构的强度特性、刚度特性、加速度响应谱。然后,为实现结构轻量化对头部有效载荷快速连接结构进行了拓扑优化。在变密度的基础上,研究了抑制棋盘格现象和灰度单元的改进变密度法,并采用该方法对有效载荷快速连接结构进行了拓扑优化,对比了优化前后的结构性能,得出了优化后的结构在满足强度与刚度设计要求的同时减重明显。以上结果,证明了有效载荷快速连接结构基于改进变密度法拓扑优化的可行性,可以为其它飞行器结构轻量化设计提供参考。最后,对头部快速连接结构进行了可靠性分析和快速性试验。基于材料性能的规律分布,运用响应面法,分析了头部整流罩快速连接结构的强度与刚度的可靠性,获得了灵敏度和可靠度的数据,分辨了对结构强度与刚度影响最大的材料性能,得出了通过增加整流罩和连接框材料的弹性模量可以极大地提高结构的强度与刚度。通过快速连接试验,验证了头部整流罩和仪器设备的快速连接结构的方案可行性,以及连接操作的便利性、快速性。