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变刚度复合材料因其优异的力学特性和灵活的可设计性在复合材料领域得到越来越多的应用。传统处理变刚度复合材料优化设计问题的方法是元启发式优化算法（Meta-Heuristic Algorithms）,而这类算法往往需要对优化设计问题进行成千上万次迭代计算才能得到较为可靠的优化结果,使得优化过程的效率无法满足实际问题的应用需求。目前,为了求解这类耗时优化问题,应用最为广泛的优化算法是基于代理模型的高效全局优化（Efficient Global Optimization,EGO）算法。本文针对EGO算法在变刚度复合材料优化设计中面临的问题进行了如下研究:（1）本文对主流的EGO算法框架进行了推广,在新的EGO算法框架下,EGO算法可以应用任意单一代理模型进行全局优化（Single-Surrogate Efficient Global Optimization,SSEGO）。为了比较SSEGO算法的特性,引入了多个代理模型高效全局优化算法（Multi-Surrogate Efficient Global Optimization,MSEGO）。同时,建立了SSEGO与MSEGO算法评价体系,并提出了两种基于EGO算法的性能评价标准,用于描述EGO算法在优化过程中的全局搜索能力与局部探索能力。数值测试结果表明,与标准EGO算法和MSEGO算法相比,SSEGO能够处理更多类型的优化问题。此外,合理地组合多个代理模型能够有效提高MSEGO算法的寻优效率。为了测试SSEGO与MSEGO算法在实际工程应用的性能表现,设计了一种基于材料参数反求的工程类标准测试算例。工程基准算例的测试结果表明,SSEGO算法有着较高的优化效率。（2）针对变刚度复合材料平板与圆筒的屈曲载荷优化设计问题,建立了基于最小二乘支持向量机回归模型（Least Square Support Vector Regression,LSSVR）的EGO优化算法（LSSVR-EGO）。优化设计结果表明,与直线纤维复合材料相比,变刚度复合材料平板与圆筒的屈曲载荷都得到了较高提升。此外,为了验证变刚度复合材料圆筒的最优设计的稳健性,对变刚度复合材料圆筒的最优结果进行了扰动分析。扰动分析结果表明,基于LSSVR-EGO算法求解的变刚度复合材料圆筒最优设计的稳健性较好。（3）针对耗时多目标优化设计问题,提出了基于切比雪夫组合模式的混合代理模型多目标优化算法（Augmented Tchebycheff Assisted Ensemble Surrogate Multi-Objective optimization method,ATAESMO）。首先,为了提高优化过程中代理模型的精度,提出了一种基于切比雪夫组合模式的混合代理模型方法,即评价多个代理模型的精度,并将精度进行权重配比,再利用切比雪夫方法组合多个代理模型并应用于目标函数的预测。将基于单目标EI准则的多目标EI准则,也被称为超体积期望改善（Expexted Hypervolume Improvement,EHI）结合混合代理模型方法进行多目标优化计算。数值测试结果表明,ATAESMO算法有着较高的优化效率,而且其优化结果具有较好的稳健性。此外,为了预测纤维增强复合材料在循环载荷条件下的应力-应变关系曲线,提出了一种弹塑性代表性体积元（Elastic-Plastic Representative Volume Element,EPRVE）的细观尺度有限元模型。为了获得EPRVE的材料参数,采用ATAESMO多目标优化算法进行反求计算。优化结果表明,ATAESMO算法有着较高的优化效率。同时,在循环载荷的条件下,基于ATAESMO算法的EPRVE模型能够获得高精度的复合材料应力-应变关系曲线。（4）建立了变刚度复合材料圆筒的多尺度材料/结构一体化的优化框架,可以同时优化混杂复合材料中纤维体积分数和变刚度复合材料中曲线纤维路径。首先,为了提升复合材料的力学性能并降低材料成本,提出了一种具有四种纤维类型的混杂复合材料结构。为了获得混杂复合材料的力学性能,采用基于RVE的细观尺度有限元模型,并利用渐近均匀化理论方法获得细观尺度有限元模型的力学性能。此外,为了提高细观尺度有限元模型的计算效率,将提出的基于代理模型方法的RVE模型（Surrogate Assisted Representative Volume Element,SARVE）用于获得混杂复合材料细观结构的力学性能。同时,为了进一步提升变刚度复合材料的力学性能,提出了一种指数型曲线纤维路径铺设方式。然后,采用ATAESMO多目标优化算法,以最小的材料成本获得变刚度复合材料圆筒的最大屈曲载荷为目标函数,获得变刚度复合材料圆筒的最优材料/结构设计方案。优化结果表明,混杂复合材料的纤维体积分数和指数型曲线纤维路径对变刚度复合材料圆筒的力学性能改善有着显著的影响。此外,所提出的优化框架能够有效降低变刚度复合材料的材料成本,同时提高变刚度复合材料的屈曲载荷。