在航空航天结构中，结构效率是一项重要的性能指标，提高结构效率可以增大材料的利用率，在满足设计要求的前提下减轻结构重量，从而增强飞行器结构的机动性和续航性，并可节约燃油。作为飞机结构的重要组成部分，机翼结构型式多种多样，其中，由前后两个翼梁、翼肋、加筋壁板组成的盒段结构在机翼中得到广泛应用，它的结构优化设计日益受到航空航天界的关注。机翼结构有多种失效形式，在对机翼结构的优化设计过程中要针对各种失效形式制定相应的设计准则，每个设计准则之间有着联系和矛盾；对于复合材料机翼结构而言，设计变量较多，不仅要考虑结构布局，还要考虑铺层厚度、铺层顺序等对优化结果的影响，既有连续变量，又有离散变量，这些都使得机翼结构的优化设计问题求解难度增大。针对机翼结构的优化设计问题，本文提出了一种复合材料机翼结构综合优化设计方法。首先通过对机翼加筋盒段结构失稳特性的分析，对稳定性计算公式中的关键系数进行修正，保证了该方法的计算精度；然后考虑机翼的强度、刚度以及稳定性要求，找到影响三者的因素，并讨论三者之间的关系，采用分级优化的方法，依次对机翼结构进行静强度优化、结构布局优化，分别解决强度与刚度、各失稳模式之间的矛盾；然后通过对结构效率的量化，选择机翼结构设计的最优方案；再建立有限元模型验证，并通过优化过程的迭代最终确定机翼结构尺寸及布局，协调刚度和稳定性之间的矛盾，实现对机翼结构的综合优化；最后，在不同载荷水平的算例中验证了本文方法的正确性。