飞行器等先进结构对轻量化、高性能、低成本、长寿命等多功能要求越来越高,而结构的概念设计对实现这些要求起决定性作用。结构概念设计的主要任务是选择合适的材料和确定最优的结构几何构型(如拓扑、形状和尺寸)。选材设计和结构几何设计是获得高性能结构的两个重要途径,而结构设计的最优构型也依赖于所选择的材料,因此,材料选材或设计与结构几何设计相互耦合,需要研究有效的协同设计方法。本文研究基于GSFP方法(基于广义形函数的参数化方法)的连续体结构的选材与拓扑协同设计的优化模型和求解方法,并将该优化方法应用于飞机主承力钛合金结构的选材与拓扑协同优化设计,提出新的多材料构型,并进行性能评价。具体的研究内容和结论如下：(1)基于梯度优化方法的连续体结构选材优化设计的方法研究。针对连续体结构选材优化设计是离散变量的优化问题,基于GSFP插值格式对离散优化问题进行连续化,建立了以结构质量为约束,以结构刚度为目标的优化模型。该优化模型可以采用梯度优化方法求解,提高了计算效率。设计结果表明：与初始设计相比,在相同质量下,优化结果的刚度性能有大幅度的提高。设计结果验证了方法的有效性。(2)考虑强度的连续体结构选材与拓扑协同优化设计的方法研究。将结构拓扑优化与选材设计相结合,研究建立基于GSFP方法的材料选择与结构拓扑协同设计的优化模型。该模型能够综合考虑结构的质量、造价、强度和刚度等多种性能。利用具有极小刚度的弱材料描述孔洞,并将该弱材料作为可选材料；设计材料描述参数在空间的分布实现结构布局以及与结构拓扑的协同设计。设计实例表明：基于GSFP方法的结构的选材与拓扑协同优化设计可以得到清晰的多相材料拓扑结构且多相材料结构的结构性能比单一材料结构的性能好；当候选材料种类增加时可以得到性能更好的解；协同设计时,强度设计的优化结果可以缓解结构的应力集中现象,而刚度设计不能。(3)基于选材与拓扑协同的飞机主承力钛合金结构长寿命设计。以飞机主承力钛合金结构为设计背景,对其进行选材设计和协同设计,根据优化结果提出新的多材料设计方案并评价其结构性能。结果表明：选材优化得到的新方案与以高强度钛合金为初始设计的相比,可以在结构寿命基本不变的情况下,达到减少造价的效果；协同优化得到的新方案与以高强度钛合金为初始设计的相比,可以在牺牲较小刚度的情况下,明显的减少结构的重量和造价,同时提高结构的疲劳寿命,达到轻量化、低成本和高寿命的目的。