灵敏度分析是使用基于梯度算法求解结构优化问题的重要组成部分。高精度、高效率、通用性强的灵敏度分析方法有助于便捷快速地实现优化过程。半解析灵敏度分析方法相较全局差分方法,具有更高的效率,相比解析方法具有更强的通用性以及程序实现的简便性,已经广泛应用于结构优化问题当中。但传统半解析分析方法基于单元级别,需提取摄动前后两组结构矩阵,影响效率。此外,在单元刚度矩阵有效数字位数受限时,又会严重影响灵敏度计算精度。针对上述问题,本文在程耿东院士的指导下,提出结构优化半解析灵敏度分析改进算法。首先从静力位移及应力问题入手,将传统基于单元级别灵敏度列式转换到结构总体级别,并给出了算法实施途径;然后将此思路推广于自振、屈曲非重特征值、瞬态响应灵敏度等多种问题,提出了相应的计算步骤。以梁单元与壳单元等构造的典型结构为例,开展了多个算例测试。测试表明改进算法计算精度和效率均有提升,特别是针对设计变量步长有更大的数值稳定区域,此特点尤其适用于非结构化网格建模的形状优化问题,保持其摄动前后网格的一致性。为复杂工程结构的形状优化灵敏度分析提供了新途径。其后,针对形状设计变量半解析方法灵敏度分析产生的误差问题进行探讨。并提出误差修正改进方法,构建修正项与灵敏度分析主体计算分离形式,使该修正项可直接添加于灵敏度结果处,从而充分利用已有灵敏度分析程序。此外,该改进修正项形式为向量/常数形式,区别于传统矩阵形式的修正项,对于非结构化网格建模的形状优化问题,在求解效率上更具优势。在具体推导梁/壳单元误差修正项的基础上,使用梁/壳单元模拟相同结构进行算例测试。测试结果表明,修正后的半解析灵敏度分析算法精度不受摄动步长与单元数目的影响,并说明了相比壳单元,对梁单元使用半解析灵敏度分析方法更易产生误差。此后,构建更大规模的算例,与全局差分法对比突出误差修正半解析灵敏度分析方法的精度优势,证明其能在单元规模更大的问题中保持精度。并使用该更大规模的模型进行效率测试,体现改进误差修正方法的效率优势。此外,讨论了改进半解析方法在有偏置加筋的板壳结构上的应用。首先说明了有限元方法中考虑加筋偏置的方法,并讨论了偏置距离对于有限元分析响应以及灵敏度分析结构的影响。突出按照实际情况考虑加筋偏心距离的重要性。其后说明改进半解析方法在该问题上应用的优势。最后用简单加筋板模型,与大型机翼模型作为数值算例表明了半解析方法针对此类型设计变量不会产生因刚体转动产生的误差。且数值精度优于全局差分法。本文工作基于大连理工大学自主研发有限元软件SiPESC平台。文章最后,总结了平台脚本调用有限元分析与灵敏度实现的具体流程。并提出了一种通用的灵敏度分析算法框架。便于随后各种灵敏度分析方法在平台上的集成。因平台同时拥有有限元分析模块,与优化算法模块,该灵敏度算法框架为二者搭建了一个桥梁。便于后续使用SiPESC平台实现完整的结构优化流程。