可变形机翼可光滑而持续地改变机翼外形,如机翼后掠、改变翼展和弯度,对不断改变的飞行条件做出响应,从根本上改善飞机的巡航和冲刺能力,以及飞行机动能力。先进智能材料则是可变形机翼结构与功能设计的基础之一。基于高等植物运动原理的仿生智能材料是近来发展起来的一种新型的智能材料。这种材料具有较高的能量密度,在适应性、智能主动控制等方面具有传统材料不可比拟的优势,应用前景广阔。于此同时,该智能材料与结构包含大量的含液多孔等微结构特征,这种非均质特性,使得含液多孔材料力学行为的仿真及实验面临颇多挑战。首先,本文提出了针对含液多孔结构的三维扩展多尺度有限元方法,并用于解决该类型结构优化设计难题。该方法采用扩展多尺度有限元方法模拟了三维含液多孔结构的流固耦合力学行为。通过微尺度计算构造含液多孔胞元固液双相多尺度基函数,建立微尺度下单胞信息与宏观尺度下结构变形之间的联系。在此基础上,将三维结构拓扑优化算法与多尺度方法相结合,通过优化单胞位置分布提高了智能结构的整体力学性能,对基于液体压力驱动的含液多孔柔性机构优化设计问题进行了分析。本文将两尺度拓扑优化算法进一步扩展,通过优化含液多孔单胞的数量及其位置分布,使得所设计智能结构在制定力学性能条件下重量达到最轻。最后通过智能机翼算例,进一步验证了两尺度拓扑优化方法在三维含液多孔智能结构优化设计问题中的有效性。其次,针对含液多孔结构含有任意顶点和面数的不规则多面体胞元的非均匀问题,本文提出了基于多面体粗网格单元的扩展多尺度有限元方法。该方法的主要思想是通过构造多尺度数值基函数建立单胞微结构的非均质信息与宏观粗网格力学响应之间的联系。本文借鉴了多面体有限单元的形函数定义方法,发展了针对在多面体单胞的多尺度数值基函数求解的新型线性边界条件。通过计算单胞子网格在制定的边界条件下的边值问题,构造出不规则非均质多面体胞元的多尺度基函数。在此基础上,将多尺度基函数结合子网格单元刚度信息,可推导出宏观多面体粗网格单元的等效刚度矩阵,进而可在粗网格层次上求解结构的力学响应,方便快捷且可大大节约计算成本,并且便于进行降尺度分析。本文通过仿生含液多孔悬臂梁结构,智能机翼结构等非均质结构的数值算例分析,验证了本文发展基于多面体粗网格单元的扩展多尺度有限元方法的准确性和有效性。