防隔热一体化热防护结构通过将防热材料与轻质隔热材料进行组合,简化了热防护系统防、隔热结构设计,同时具有质量轻、制备周期短的优点,是热防护发展的重要方向之一。但在该一体化热防护结构中,不同材料之间存在着性能不匹配的问题,在结构服役过程中将产生极大的热应力,甚至导致结构发生破坏。本文针对该问题,通过在不同材料之间增加梯度层,以达到缓解材料性能不匹配的目的,并从梯度层设计和整体结构优化两方面展开研究。本文首先建立了包含梯度层的防隔热一体化热防护结构热力分析有限元模型,并对其热力响应特征进行了分析,说明了通过在不同材料之间增加梯度层可以起到缓解材料性能不匹配的目的;通过参数试验方法,分析了梯度层尺寸参数和组分过渡形式等因素对结构热力响应的影响规律。进一步,以结构面密度最小、整体厚度最薄、结构径向尺寸最大为优化目标,建立了一体化热防护结构多目标优化模型;通过分析热流载荷作用下结构响应的变化趋势,确定了极限响应所处时间段,提高了优化计算效率;基于单纯形法对梯度层各控制点处的材料组分体积分数进行了优化,使得结构应力水平大幅降低,并在此基础上,以结构尺寸参数作为设计变量,建立了以邻域培植多目标遗传算法为基础的热防护结构多目标优化问题求解方法,相应优化结果表明,所获得的30个Pareto最优解均接近于结构极限响应状态,且在目标函数空间中,Pareto前沿分布范围较为广泛。考虑了载荷条件、材料性能以及结构尺寸参数等因素的不确定性,采用蒙特卡洛模拟方法对多目标优化结果中最小厚度设计方案的可靠性进行了分析,并表征了随机输出响应对随机输入变量的敏感性;利用径向基函数建立了输入参数与输出响应之间的神经网络近似模型,在此基础上,利用6σ方法对一体化热防护结构进行了可靠性优化设计,相比于多目标优化结果,可靠性优化方案在结构满足可靠性要求的前提下,结构效率进一步提升。