本文密切结合航空、航天工业发展的需求，系统地研究了复合材料等效性能的预测和设计问题，致力于复合材料等效性能研究和复合材料的优化设计。 复合材料等效性能的精确预测对于复合材料的应用和设计有着至关重要的作用，而目前应用较多的均匀化方法存在数学推导复杂、灵敏度计算效率不高等缺点。本文首先提出新的计算正交各向异性复合材料微结构等效性能的“能量法”，即以正交各向异性复合材料微结构为例，构建特定的微结构边界条件，探讨微结构变形能和均质等效体变形能的关系，或微结构散热弱度与均质等效体散热弱度之间的关系，分为静力、热膨胀、热传导三类问题。在此基础上，将复合材料微结构进行有限元离散，以微结构中有限单元材料密度(或伪密度)为设计变量，结合SIMP单元材料插值模型，推导出复合材料等效性能参数灵敏度的解析表达式。与均匀化方法相比，能量法具有数学推导简单，灵敏度分析简洁，程序实现方便的特点，为复合材料的优化设计及相应的结构．材料一体化设计奠定了基础。但该方法也具有一定的局限性，利用该方法无法精确预测各向异性材料的等效性能。 减轻结构重量，提高结构性能是工程人员永远追求的目标，复合材料的广泛应用极大地减轻了飞行器的结构重量，提高了其载重比。因此高性能轻质复合材料设计方法的研究对于航空、航天及国防工业都具有重要的意义。本文基于能量法进行具有特定弹性性能的复合材料微结构的优化设计，以材料用量为约束实现轻质设计，按照需求进行复合材料弹性性能设计，实现了具有极端弹性性能的复合材料设计，如最大拉伸模量。同理，实现二维、三维最佳传热性能的复合材料优化设计。在此基础上，实现具有极端弹性性能及传热性能的多功能复合材料的设计。巨大的温度变化使得部分仪器产生热变形，影响仪器的精度及性能，为此本文利用给定性能的复合材料设计方法进行零热膨胀系数的材料设计，实现了具有零、负泊松比的复合材料或具有零、负热膨胀系数的复合材料设计。上述优化数值算例表明：基于能量法可以有效地进行二维、三维正交各向异性材料的优化设计，在航天、航空等领域中高性能的复合材料设计中具有良好的应用前景。 基于连续材料插值模型的结构拓扑优化中往往存在中间密度，为了更好地发挥材料的潜力，本文提出了结构-材料一体化设计。首先进行宏观结构的材料布局优化设计，在此基础上，以优化得到的材料布局为约束，以宏观结构的整体性能为目标函数，进一步进行宏观单元的微观构型设计。针对静力学问题和稳态热传导问题实现了二维、三维结构-材料一体化设计，比较了不同的微结构有限单