拓扑优化方法与增材制造技术的结合,不仅可以发挥增材制造方法在制造复杂结构时的技术优势,同时也可以使拓扑优化得到的最优设计从理论走向实际应用。在SLM(selective laser melting,选择性激光熔化技术)增材制造过程中,结构受热作用容易产生翘曲变形,而且结构悬伸部分在增材制造过程中也容易出现崩塌,需要采用支撑结构才能顺利完成打印,这不仅造成了材料的浪费,也增加了结构后处理的难度。传统的结构拓扑优化通常以结构使用工况下的性能要求为目标,得到的优化结果并没有考虑增材制造过程中的热作用,而不考虑热作用所产生的较大热变形,就无法保证制件的结构精度。再者,基于变密度法的结构拓扑优化设计,优化结果的边界处存在大量的中间密度单元,使得结构边界不清晰,无法直接进行增材制造。为解决上述问题,本文就SLM过程分析、增材制造热载荷作用下的结构优化、结构边界处理以及结构自支撑设计等方面展开研究,主要工作内容如下:首先,研究了结构瞬态热传导分析及热弹塑性变形的相关理论,并基于ANSYS软件建立板状薄壁结构多层成型的温度场、应力场仿真分析模型,探究了SLM成型过程中结构体内部温度分布及应力分布的演化过程。其次,研究了考虑增材制造热载荷的结构拓扑优化方法。研究了热力弱耦合的有限元分析理论,推导了热力耦合有限元平衡方程。基于RAMP(Rational Approximation of Material Properties,材料属性有理近似)插值模型建立了热力耦合拓扑优化模型。以SLM温度场分析中结构成型结束时的温度分布作为热载荷,对板状结构进行拓扑优化,并采用一种改进的灵敏度过滤方法,通过密度梯度信息识别结构边界单元并弱化对边界单元的过滤处理,以获得边界清晰的优化结构。再者,研究了考虑增材制造热载荷的多相材料拓扑优化方法。基于变密度多相材料描述方法建立多相材料热力耦合拓扑优化模型,同样使用SLM分析得到的温度分布作为热载荷,进行多相材料板状结构的热力耦合优化,并采用改进的灵敏度过滤方法来抑制不同材料之间的干涉现象,使不同材料之间具有清晰的边界。然后,研究了带结构自支撑处理并考虑增材制造热载荷的拓扑优化方法。将一种结构自支撑处理方法引入到热力耦合拓扑优化过程中,以SLM过程分析得到的温度分布作为热载荷,进行板状结构的拓扑优化,使优化后的结构在增材制造过程中能够实现自支撑,并兼顾结构在热载荷作用下的结构性能。使用改进的过滤方法对结构边界进行处理。最后,对全文的研究内容进行总结,并对存在的不足及后续可以继续开展研究的方向进行阐述。