复合材料在航空工业中应用越来越广泛,但我国飞行器在复合材料的应用上显著落后于国外先进水平,其中复合材料结构设计水平是制约复合材料的应用的主要难题之一。数值仿真研究是复合材料结构设计的重要手段,而复合材料应用范围逐步过渡到主承力结构、大型复杂结构,对数值仿真的计算效率提出了更高的要求。本文主要研究高效单元算法和高效建模方法,以及结合高效优化设计方法以建立大型复合材料结构冲击响应的高效数值方法,并将其应用于复合材料机翼前缘鸟撞问题的建模、数值分析和优化设计中,实现了显著的效率提升。高效的单元算法是提高数值计算效率的一个重要途径。壳单元无法分析厚向应力应变,而实体单元的弯曲变形模拟能力不佳。复合材料层合板属于厚壳,很多情况下必须考虑横向剪切应力和厚向应力,因此精确模拟其响应行为需要细密的实体单元网格,导致计算效率低下。本文研究了一种效率改进的实体壳单元,实体壳单元兼具壳单元和实体单元的优点,非常适合复合材料层合板的模拟。实体壳单元采用假定自然应变法（ANS method）、增强假设应变法（EAS method）和选择缩减积分（B-bar method）方法消除了数值计算中可能遇到的横向剪切锁定、梯形锁定、体积锁定和泊松锁定。相比其它采用多参数EAS方法的实体壳单元,本文采用单参数EAS方法的实体壳单元具有更高的计算效率,相比Abaqus自带的实体单元和连续壳单元,本文提出的实体壳单元具有更高的计算精度和更强大的锁定抑制能力。复合材料的数值模拟精度严重依赖良好划分的网格。当结构尺寸较大时,网格规模将非常庞大,导致大型复合材料结构冲击响应的数值计算成本很高。由于冲击响应具有局部变形特性,因此本文提出了多级全局-局部建模方法,按结构响应行为将整体结构划分为若干个局部区域,每个局部区域受不同的响应行为或变形模式主导,通过分析模型或数值预估的方法确定每个局部区域的范围。在局部区域采用针对该区域响应特征和研究目标的模拟方法和单元,从而可以准确模拟复合材料结构响应行为并大幅降低模型规模。基于复合材料结构冲击响应分析模型,本文建立了中低速和高速冲击响应的多级全局-局部建模方法。结合分析模型、多级全局-局部建模方法和包括SSE-ABE单元在内的复合材料模拟方法,本文建立了大型复合材料冲击响应的高效建模方法。高效建模方法可以建立高效数值模型,高效数值模型能实现高效数值分析。高效建模和高效数值分析是手段,实现高效的复合材料结构优化设计是目的,因此本文研究了复合材料结构冲击响应的高效优化设计方法,提出了基于高效数值模型的仿真优化方法和基于分析模型的理论优化方法,其中高效数值模型在两种优化方法中均起到重要加速作用。最后结合高效建模方法和高效优化设计方法,本文建立了大型复合材料冲击响应的高效数值方法。复合材料机翼前缘鸟撞问题的建模、数值分析和优化设计过程完整地应用了大型复合材料冲击响应的高效数值方法。首先,基于多级全局-局部建模方法建立了复合材料机翼前缘鸟撞数值模型,将鸟撞模型的单元数量从六十五万个降低到了二十七万个,减少了约3/5,模型计算时间从三十六小时减少到了十个小时,计算效率提高了3.6倍,同时保证模型的计算精度,从而加快了设计分析速度,且数值模型的准确性通过了鸟撞试验的验证。数值分析和鸟撞试验结果均表明复合材料机翼前缘原结构不满足抗鸟撞性能要求,因此开展复合材料机翼前缘抗鸟撞优化设计,优化过程采用高效优化设计方法中的基于分析模型的理论优化方法。本文建立了鸟撞分析模型,鸟撞分析模型综合了有效撞击动能和有效撞击动能密度,以危险因子表征每个撞击位置被鸟弹击中的相对破坏严重程度,并给出了相应Matlab算法来高效地确定任意撞击位置的危险因子。应用该鸟撞分析模型对本文中的复合材料机翼前缘鸟撞问题进行分析,确定其最危险撞击位置,发现和传统鸟撞研究中采用的撞击位置不同,基于高效数值模型的数值对比分析结果支持了鸟撞分析模型的结论,从而验证了鸟撞分析模型。基于鸟撞分析模型本文提出了变厚度局部强化蒙皮的抗鸟撞优化设计方案,通过有效撞击动能密度分布函数来确定局部强化蒙皮的厚度分布,在有限质量下实现最佳的抗鸟撞性能,远胜于传统优化方案,并将上述过程总结成一套满足抗鸟撞要求的复合材料机翼蒙皮设计流程,可减少试验次数和仿真成本,实现机翼前缘结构设计的高效化和流程化,加快设计进度,提高复合材料结构抗冲击设计水平。本文建立的大型复合材料结构冲击响应的高效数值方法,可显著提高数值建模、数值分析和结构优化设计的效率,其优越性在复合材料机翼前缘抗鸟撞优化设计研究中得到了充分的展现。