正交各向异性结构是工程中广泛采用的一种结构形式，根据不同方向上的刚度需求，通过子结构在正交方向上的组合，使得整体结构在体现出新性能的同时，还具有加工简便以及节省材料等优点。然而，较之于常规结构，正交异性结构往往增加了许多细节，会给数值建模和分析带来新的挑战：全局的精细建模往往会造成系统方程过大的问题；等效建模时也需要充分考虑结构细节在各方向的不同对其力学特性的影响，而这一问题在以往的研究中并不受重视；在方程求解时，尤其是在显式动力学分析时，局部细节的精细网格也会急剧减小仿真求解的时间步长，大大增加计算量。本文以实际工程应用背景为依托，研究了大型正交异性结构空间-时域多尺度动力学仿真方法，主要内容包括：研究了大型正交异性结构的等效及多尺度建模方法和时域内的显式子循环积分算法。将材料力学中广泛应用的代表性体积元（RVE）法拓展到了大型正交异性结构的等效建模中，并以结构整体动态特性作为衡量其等效动力学属性的目标函数，采用反分析手段和数学优化方法来确定最优的名义材料参数，考虑了结构在正交方向上的不同设计对等效模型力学特性的影响，该方法不但实现方法简便，且得到的等效名义参数可以较好地反映实际结构的动力学特性。在多尺度耦合建模时，基于摄动理论，采用功相等的方法推导了不同尺度单元界面的自由度耦合方程，并采用数值算例验证了耦合模型的计算精度。同时，针对大型正交异性结构多尺度有限元模型存在的计算量巨大以及局部临界时间步长太小等问题，提出了基于中心差分子循环算法以及改进坐标递归分区算法的高性能并行求解方法。子循环算法将整体模型按照单元的时间步等级划分为按不同时间步长积分的区域，在边界上采取线性速度或加速度假设进行处理。在进行有限元并行求解时，根据超级计算机的体系结构特征，结合显式中心差分子循环算法的特点，本文以递归坐标对分方法为基础，进一步提出了加入考虑时域内异步算法影响因子的模型分区方法。该求解算法可以大大地节省计算资源，缩短求解时间，同时，在处理空间-时域多尺度模型时的并行计算效率也得到了保证。以上海长江西路隧道抗震分析为工程应用背景，开展了波-介质-结构相互作用过程的多尺度数值模拟研究。从接触面级、管片级、全局等效尺度以及混合尺度等各个级别上探讨并验证了隧道结构多尺度分析方法。提出了一种适合通用有限元软件的隧道衬砌精细建模方法，建立、验证了隧道衬砌拼装有限元模型，并以此为基础，采用反分析思路和最优化理论，确定了隧道衬砌的等效名义材料参数。进而，建立了长江西路隧道抗震分析的等效模型，以隧道断面整体内力水平为关键指标，确定了多尺度分析的关键断面，将验证后的衬砌拼装模型植入整体等效模型中，对隧道结构抗震性能进行了多尺度分析，总结了整体结构以及衬砌接头在横向地震作用下的响应规律。以散货船与上海西渡大桥的碰撞过程为应用背景，开展了冲击、接触过程的多尺度数值模拟研究。根据西渡大桥上、下桥面板结构特征，将其等效为正交各向异性板，建立了整个斜拉桥的等效及多尺度模型。采用动力松弛方法对斜拉桥的初始状态进行求解，并对拉索索力和斜拉桥的成桥状态进行了修正和校验。以“V”形船艏设计的散货船为研究对象，将船体模型分为碰撞区、非碰撞区和过渡区三部分，建立了其多尺度有限元模型。进而，对船-桥碰撞动力学过程展开了详细分析，对比了有限元方法与相关规范中经验公式计算得到的船撞力，分析了不同公式以及有限元计算结果产生差异的主要来源。基于Newmark离散格式的显式、隐式算法的固有属性，提出了一种适合于空间-时域多尺度动力学分析的显式、隐式任意混合异步算法。根据不同计算域的物理力学属性和计算精度要求，同时在空间域和时域对模型采用不同的尺度进行数值模拟。该方法根据显式、隐式算法固有的信息传递机制，采取动态的多重边界处理方法，避免了异步边界上的误差积累；并通过对整体系统能量平衡的校验，动态地修正仿真计算时步，可以有效地预防不稳定现象的产生和发展。数值算例表明：该算法能在保持较高计算精度的同时，大大地降低计算资源消耗，具有一定的实用价值。