复合材料管是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合而成的圆柱形管材，具有重量轻、强度高、刚度好、输送液体阻力小、清洁卫生、成本低等优点广泛应用在城市给水、污水排放等工程。但以往的结构在顶管施工中会出现裂纹、断裂等情况，或因为提高抗裂性能而使管壁过厚，成本增加。本文仿生物骨哈佛氏系统结构对应用于顶管施工的复合材料管进行优化设计，以提高其刚度和抗裂性能，达到顶管施工的要求，降低生产成本。首先从复合材料细观力学的角度出发，建立了哈佛氏系统骨单位的微观模型本构方程，根据Donnell-Mushtali近似理论简化骨单位模型，导出了由细观力学本构方程表示的层合复合材料圆柱壳屈曲控制方程。用双傅立叶级数法求出层合复合材料圆柱壳屈曲问题的一般解和两端简支层合复合材料圆柱壳临界载荷的解析解，并用具体算例求出屈曲载荷，分析了屈曲载荷与层合角的关系，屈曲载荷与长径比的关系。同时对复合材料进行了线性和非线性屈曲有限元分析计算，得到应力分布和位移分布，线性屈曲前三阶的变形、应力值和位移值，并求得非线性屈曲的临界荷载。利用有限元软件对复合材料管结构进行优化设计，优化后复合材料管最大位移和材料明显减少，并把分析结果与已有实验得出的哈佛氏系统骨小板纤维分布一般模型相比较。