复合材料点阵结构作为一种新型超轻质材料,因其高比刚度、高比强度和材料属性可设计性而被广泛应用于各个领域。点阵结构因其复杂的微观结构,传统的有限元方法较难分析,优化就更为困难。本文基于渐近均匀化方法,获得点阵结构等效性能,并探究不同几何因素对点阵结构等效性能的影响,构建点阵结构等效性能与材料用量之间的插值关系,将点阵结构等效成一种材料。随后采用拓扑优化的方式优化点阵材料的空间分布。为降低结构在热载荷和机械载荷共同作用下的热应力,采用全局最大热应力作为目标函数,柔顺性作为约束,实现了点阵填充结构宏微观一体化优化设计。对商业软件进行二次开发,实现点阵填充结构的参数化建模。为扩宽点阵材料的应用空间,提出一种复杂零件的点阵填充方法,将点阵结构应用于复杂零件中。并在此基础上,针对高低温异质连接结构,提出一种匹配被连接件热膨胀的点阵填充方法,降低被连接件的热应力。最后将匹配热膨胀的设计思路引入点阵填充结构优化设计中,实现匹配热膨胀点阵填充结构宏微观一体化设计。本文的主要工作包括:1)基于双材料金字塔结构,研究结构可设计热膨胀的机理和设计范围。形成一种热膨胀系数可设计的正交各向异性点阵结构。采用仿真分析的方法,创建点阵离散结构和均匀化后实体结构,验证不同单胞数目,载荷条件和几何外形下,渐近均匀化方法预测的准确性。计算点阵结构的等效性能,探究不同几何因素对点阵结构等效性能的影响,构建结构等效性能与材料用量间的插值关系。2)以结构的最大热应力为目标函数,柔顺性和体积为约束条件,构建力热载荷作用下最小结构热应力的优化模型。推导应力、热应力和最大热应力的表达式和灵敏度,并以差分法验证灵敏度的正确性。通过多个数值算例验证优化模型的有效性。最后结合点阵结构插值关系与拓扑优化,实现点阵结构宏微观一体化设计方法。3)基于商业软件的宏操作,对其进行二次开发,实现点阵结构的参数化建模。提出一种保证点阵结构完整性的点阵填充设计方法,实现复杂零件的点阵填充及三维建模。针对高低温异质连接件,提出一种匹配被连接件热应力的点阵填充方法,通过对填充结果的仿真验证,该方法切实可以降低被连接件的热应力。4)在优化过程中引入匹配热膨胀系数的设计思路,通过比较匹配热膨胀点阵结构优化设计与零膨胀点阵结构优化设计,验证了匹配热膨胀系数在降低结构热应力中的有效性。