根据三维正交机织复合材料中纤维束的空间几何特征，提出了改进的单胞模型。此模型包含经纬纱正交单胞、接结经单胞与接触单胞三种结构，考虑了各个单胞中的纤维束空间结构与变形特点，对纤维束截面尤其是对挤压处的纤维束进行了合理等效，以达到模型通用、简化计算的目的。基于均匀化方法、有限元方法和刚度平均方法计算三维机织复合材料的工程弹性常数：通过有限元软件对单胞模型进行离散，施加相应的边界条件，求出模型的应力-应变数值；进一步基于均匀化方法求出单胞的弹性常数；根据各单胞在总体积中所占的体积分数，运用体积平均的方法求出复合材料弹性常数。所求得数值结果与实验结果对比表明新建模型的预测精度较好。建立以纤维束机织角度和空洞尺寸为设计变量，最大弹性常数最大化和各向弹性常数均匀化为优化目标的优化模型，进行优化设计。