在满足飞机任务需求的前提下,降低飞机重量是飞机设计师一直追求的目标。承力主框是无人机机身的主承力件,但是由于放置油箱的需要,必须在其上进行开口,因此有必要对承力主框开口结构进行优化设计。本文首先采用整体—局部分析的方法,从全机有限元模型中提取出承力主框的载荷边界条件,其次通过分级优化得出承力主框开口的具体位置和形状,然后对承力主框进行复合材料的铺层优化,最后对开口进行了补强优化设计。论文的主要工作包括：提取承力主框的载荷边界条件。首先进行全机静力学有限元分析,然后采用整体—局部分析的方法,从全机有限元模型中提取出承力主框的位移边界条件,并将位移边界条件转换成约束力边界条件。通过分级优化得出承力主框开口的具体位置和形状。首先通过拓扑优化,对承力主框的传力路径进行一次较为深入的分析；然后结合拓扑优化的结果,并考虑到开口功能性要求,初步确定开口形式,在此基础上以开口的大尺寸作为设计变量,以重量最轻为目标进行形状优化；最后为降低开口倒角处的应力集中,以倒角处过渡曲线的参数为设计变量,以该区域应力最小为目标,对开口倒角进行细节优化,优化后结构的最大应力由300MPa降至256MPa,相应的强度提高了17.8%,可以显著地缓解倒角处的应力集中。对承力主框进行复合材料铺层优化并对承力主框开口进行了补强优化。由于复合材料层合板具有力学性能可设计性,对承力主框进行铺层优化可以充分发挥复合材料的承载能力,铺层优化后结构重量降低了39.8%。在开口补强优化中采用一种新的对称翻边开口补强形式代替以前多采用的非对称翻边补强,由于采用对称结构,不存在偏心力矩影响,可以显著改善开口补强的效果。补强后复合材料承力主框的最大横向拉伸应力由原来的40MPa下降为33.899MPa,相应的结构强度提高了18.0%。本文所进行的研究工作具有广泛的适用性,对于飞机结构设计中桁梁和隔框等承载结构优化设计具有一定的借鉴意义。