梯度异质材料实体是一种由多相组分材料光滑过渡形成的功能材料零件，其由于能够同时利用多相组分材料的优良属性而在航空航天、过程装备、光学工程、生物医学工程等领域获得了广泛的应用，以分层制造为特点的快速成型技术的兴起使得低成本、大批量制备梯度异质材料实体成为可能。在这样的背景下，梯度异质材料实体的开发越来越受到专家和学者的关注，这一研究热点涉及到数学、材料学、计算机科学等多个学科，论文系统地研究了梯度异质材料实体的优化设计和制造过程规划的理论和方法，完善了基于有限元方法的梯度异质材料实体的计算机辅助开发流程，具有重要的理论和实践意义。针对温度场中产生热量最小化以及温度最均匀化的材料设计问题，对温度场中的材料热传递性能进行了有限元分析，深入研究了温度场中的材料分布优化的插值模型、设计目标和约束条件，提出了基于单纯形法和序列线性规划的优化计算模型，设计了基于海维赛函数的体积分数过滤器来保证计算的数值稳定性，并对平面单元和壳单元的热传递行为进行了分析和探讨，通过实例验证了计算模型的可行性和有效性。传统的材料分布优化所采用的均质单元不能有效地描述连续分布的异质材料，在结构场中提出了基于梯度单元的梯度异质材料实体有限元表达模型，得到在设计空间中连续的材料体积分数函数，为了在优化中体现设计者的意图，提出了基于自适应设计变量下限更新算法对材料的梯度进行局部控制，在有限元网格节点的邻域内实施该算法，结合移动渐近线算法将优化问题转化为一序列的优化子问题进行迭代求解，提出了统一的梯度异质材料实体优化设计方法，通过实例验证了该梯度材料轻量化设计方法的有效性和实用性。对具有多个冲突的设计目标的材料分布优化问题的特点进行了分析，探讨了异质材料的遗传算法编码方式，针对材料分布优化设计变量的高维特点，提出了基于外部存档式微遗传算法的梯度材料进化方法，通过拉丁超立方抽样和随机排列技术形成初始种群，构造外部存档来保存进化中的精英个体，基于等均值最近邻搜索剪枝方法确定精英个体保留和删除的原则，运用模拟二进制交叉和多项式变异技术对实值编码的个体实施遗传操作，建立了多目标材料分布优化遗传算法的模型，通过实例验证了该模型的可行性和适用性。为了充分利用计算机软硬件资源提高设计和计算的效率，分析和探讨了梯度异质材料实体优化算法的并行化方案，在单目标优化中对有限元网格进行区域分解，构造预处理共轭梯度方法迭代求解实体平衡方程，将计算任务按照子区域分配至并行的进程分别处理，在多目标优化中采用锥形分割模型对遗传算法的搜索空间进行分解，并将计算任务分配至并行的进程，最终汇总结果，提出了基于消息传递接口的梯度异质材料实体优化设计的并行计算方法，通过实例验证了该方法。为了对梯度异质材料实体的设计环节和制造环节进行数据集成和并行，提出了基于分层梯度有限元方法的实体制造信息模型，运用标准三角化语言将实体的几何设计模型转换为平面三角形面片格式，采用可扩展标记语言表达实体的几何信息和材料信息，运用均匀切片技术将实体几何模型分层，根据材料的分布特点选择和设计扫描模式，在取样点通过形函数对几何和材料进行插值，提出了面向激光近净成型技术的梯度异质材料实体的制造过程规划方法，并结合仿真实例验证了该方法的有效性。