拓扑优化是结构设计中常用的方法之一,运用拓扑优化技术,在优化宏观结构的同时,可以同步进行材料微结构设计,以消除结构和材料的界限,进一步挖掘材料的潜力。随着多尺度方法的发展,从宏观和细观等多个尺度层面对结构和材料进行一体化设计,成为拓扑优化领域的一个重要研究方向。本文以单向纤维增强复合材料为研究对象,研究了复合材料结构多尺度一体化设计方法。首先采用基于能量的均匀化方法,研究了细观尺度上的材料微结构优化设计,对主要优化参数进行讨论分析。在此基础上,比较了常用的复合材料插值模型和增强方法,对中线增强和拓扑增强两种增强方式进行研究,并通过算例实现,与理论值比较,验证了该方法的可行性。建立了刚度最大化问题多尺度拓扑优化模型,引入尺度分离的思想,研究了宏观与细观分步优化策略,以悬臂梁和简支梁结构为例,采用中线增强法,实现了基于单一微结构的复合材料结构多尺度优化设计,验证了本文方法的有效性。最后,本文考虑了宏观与细观的尺度关联,研究了复合材料结构多尺度一体化设计方法,通过引入FE2方法,构建尺度关联,并给出了一体化设计流程。以平板结构和夹钳结构为例,采用拓扑增强法,实现了复合材料结构的多尺度一体化设计,验证了本文方法的有效性。本文完成了考虑尺度关联的复合材料结构多尺度一体化优化设计,对于复合材料设计和多尺度一体化优化方法的发展和解决工程实际问题具有重要意义。