随着我国长期在轨空间站的建成与各类空间探索、开发任务逐步实施,未来常态化、高可靠进出空间成为必然需求。诸如飞船、运载火箭等航天结构的重复使用,将显著降低航天发射与返回成本,成为各航天大国竞相发展的目标。美国龙飞船已经实现重复使用,我国和俄罗斯在新一代飞船均开展了可重复使用的技术验证。由于航天发射力学环境的特殊性和高风险性,航天结构多次重复使用中面临力学环境、结构特性演化等较多不确定性。如何评估多次重复使用中结构状态演化及其不确定性,成为重复使用航天结构服役中健康管理的关键。数字孪生技术通过传感系统实时测量结构响应,通过动态数据引入并改进预测模型,提升结构状态及其演化预测的准确性与可信度,为解决强不确定性条件下航天结构可重用性精确评估与决策难题提供了新的解决思路。本论文以类飞船航天器的主承力结构为典型研究对象,以飞船在发射、着陆和再入段会经历各种动载荷作用下的结构疲劳与螺栓松动为两类影响结构可重用性能的关键因素,开展模型状态和载荷输入不确定性条件下主承力结构数字孪生建模方法研究,重点解决结构寿命演化建模与预测、关键危险位置响应获取、及动态数据驱动的结构可重用性预测方法研究,具体如下:（1）针对疲劳损伤下结构状态与演化不确定性问题,采用动态贝叶斯网络（Dynamic Bayesian Network,DBN）融合多源不确定性、建立结构疲劳损伤演化预测模型;进一步提出变结构DBN建模方法,解决结构多模式损伤演化建模问题。采用观测数据驱动DBN模型状态更新与损伤演化预测,降低了飞船结构寿命预测的不确定性。基于应力-强度干涉模型和结构失效判据,建立了结构可靠性的分析方法,并以此作为结构可重用性的判据。将可靠性预测与DBN模型结合,建立了可重复使用结构全寿命周期结构可靠性动态评估方法。采用粒子滤波进行DBN推理,为解决粒子贫化问题,在重采样算法中引入Metropolis Hasting采样、并自适应新增粒子,同时发展模型加权融合方法,提升了DBN推理精度与稳定性。（2）采用标准试件的疲劳试验数据,验证DBN在结构疲劳裂纹扩展预测中的有效性。建立标准试验件疲劳裂纹扩展预测的DBN模型,通过裂纹扩展量观测数据动态修正疲劳裂纹扩展模型状态,实现了恒幅和变幅载荷下各试件不同的扩展过程的准确预测,并验证了模型状态更新时间点自适应调整方法的可靠性,并通过信息熵变化研究表明数据的引入能够不断降低预测结果的不确定性。针对飞船主承力结构,开展了仅存在疲劳损伤和同时存在疲劳和螺栓松动损伤的裂纹扩展寿命预测研究,通过定义结构损伤特征量和应力放大系数、分析螺栓松动概率及松动对裂纹扩展的影响,建立了DBN网络结构变化的判据。对上述方法的人工解验证表明,传统DBN不能有效跟踪螺栓松动后裂纹加速扩展效应;即使在螺栓松动判据不准确的条件下,通过多次数据引入,变结构DBN仍可以较为准确跟踪裂纹加速扩展行为,对多模式损伤下寿命演化预测有良好的可扩展性。（3）针对航天结构关键位置响应难以直接测量、引起的输入载荷不确定性问题,采用测点信号的经验模态分解、与待重构响应的模态叠加,建立了利用有限测点数据的目标位置动力学响应重构方法。针对在主承力结构响应重构时面临的模态混叠问题,采用自适应噪声完备集合方法加以解决。结合多测点数据融合,共同提高了响应重构精度。将上述方法用于随机振动载荷下、类飞船主承力结构关键位置的加速度、应变动响应的重构,并开展了数值和试验验证。结果表明:相比传统经验模态分解,基于自适应噪声完备集合经验模态分解的重构方法将重构精度提升了80%;参与融合的测点越多,重构精度越高。（4）针对航天结构寿命预测中模型状态和输入均存在不确定性的问题,以疲劳裂纹扩展为结构寿命主控因素,构建了类飞船主承力结构寿命与可靠性预测的数字孪生框架。针对多次使用中结构损伤演化会改变结构动力学特性、影响响应重构准确性的问题,采用多测点应变响应的重构与交叉对比,建立螺栓松动、裂纹扩展导致结构模态变化的识别方法,并驱动结构模态更新,降低了结构动态演化条件下响应重构误差。将动态重构的关键位置响应作为DBN预测模型的输入,联合裂纹观测数据驱动DBN模型状态更新,实现了典型结构裂纹扩展寿命与可靠性演化的动态预测。相比于只考虑模型状态不确定,同时考虑载荷输入和模型状态不确定问题的预测与试验结果取得了更好的吻合。本文提出的飞船主承力结构数字孪生框架,解决了寿命预测中模型状态和输入不确定性大的问题,通过试验验证了该框架的有效性,能够为可重复使用飞船结构的健康管理、可重用性与任务决策提供理论方法。