自然生物材料中，甲虫鞘翅是一种具有质轻、高比强度等优异性能的多孔材料，现已成为开发轻质高强多功能结构材料的主要仿生对象之一。目前国内外对甲虫鞘翅的仿生结构复合材料的研究主要集中在模仿生物结构，并以此制备具有相似特性的结构材料，而在仿甲虫鞘翅结构的多功能设计及应用方面研究较少。本文针对基于碳纤维仿甲虫鞘翅轻质结构的平板结构，首先采用“等效介质模型”的方法建立热学分析模型，构造出平板结构的散热性能目标函数；其次，采用响应面法得到其静态和动态性能的响应面拟合函数；最后通过构造总体目标函数，实现了仿生轻质结构的多功能协同优化设计。优化后的仿生轻质结构具有良好的散热和力学方面的综合性能，是飞机开口区筋板设计的良好材料。进一步将优化后的仿生结构用于飞机开口区结构的筋板设计，并对开口区整体结构进行布局优化设计。首先采用响应面法建立开口加筋结构布局优化的近似模型，然后利用遗传算法对近似模型进行优化。结果表明在相同的承载能力条件下，优化后开口加筋结构的一阶屈曲因子较优化前有较大提高而结构总质量减少了15%。复合材料开口加筋结构需要进行铺层优化设计，本文采用等效弯曲刚度法建立其铺层优化模型，再利用遗传算法解决包含离散变量的铺层优化问题，确定结构的最佳铺层顺序。铺层优化后结构整体一阶屈曲因子有所增大，同时再次验证了层合板铺层优化的必要性和等效弯曲刚度法在对称层合板铺层优化设计中的有效性。