随着高新技术的发展，适应不同工作环境的高性能材料/结构协同设计已经被提出。本文以航空航天高技术领域的工程需求为背景，开展静力、动力和多目标条件下新型多孔材料的材料/结构一体化拓扑优化设计的理论和实验研究。包括建立了静力、动力和多目标条件下材料/结构一体化模型，得到了相应目标下的宏观结构最优拓扑和材料微结构最优构型。引入微结构构型和宏观拓扑的协同表征方法，开展了圆形阻尼层合结构的材料/结构两尺度设计实验研究。主要内容包括:　　(1)宏观结构的多目标优化设计和材料微结构的性能设计。基于拓扑优化的基本理论，利用先归一化目标函数后加权求和的方法，研究宏观结构的静动力多目标优化问题。基于均匀化方法，结合有限元技术，实现微结构的极端性能设计。这两个单一级的设计为开展多场下材料/结构一体化设计提供技术支持。　　(2)单一目标下材料/结构一体化拓扑优化设计。考虑微观尺度和宏观尺度的关联，将微结构设计与多尺度计算相结合，建立了由相同尺寸和内部构型的微结构胞元组成的多孔材料/结构一体化动力优化设计模型，给出了相应的算例。方法中引入了微观和宏观两个尺度上的独立密度变量，采用材料属性的合理近似模型(RationalApproximation of Material Properties，RAMP)对密度进行惩罚，利用有限元超单元技术建立材料与结构的联系。基于算例，获得了超单元尺寸与宏、微观材料用量对结构拓扑构型和最大基频的影响规律。且得出，随着微结构胞元数的增加，优化结果趋于均匀化方法的结果。静力条件下的材料/结构一体化设计得到类似的规律。　　(3)材料/结构一体化多目标优化设计。针对微结构内部构型和宏观排布的可设计性，以结构基频最大和柔顺度最小加权和为目标，将微结构设计和多尺度均匀化设计结合，建立了考虑静动力特性的材料/结构一体化多目标优化设计模型，实现了相应的算法和算例。方法中引入了微观和宏观两个尺度上的独立密度变量，采用RAMP模型对密度进行惩罚，利用有限元超单元技术建立静动态材料/结构一体化的目标函数和灵敏度关系式，通过归一化目标函数有效避免了不同性质目标函数的量级差异。通过算例，获得了静动态权重系数对结构拓扑构型和目标函数（宏观结构的柔顺度和基频）的影响规律。　　(4)材料/结构的分级优化设计研究。基于静力、动力和多目标条件下材料/结构一体化设计模型，开展了多孔金属的相关载荷条件下分级优化设计:材料设计、结构设计和材料/结构一体化设计。在多孔金属具有功能性的前提下，在结构承载方面讨论了多孔金属的材料设计、结构设计和材料/结构一体化设计的结构效率差异。研究结果表明材料设计侧重于功能性，结构设计侧重于结构效率，而材料/结构一体化设计兼具了功能性和结构效率，较好地实现了集成化设计，这些为多孔金属针对不同工程需要选取合适的设计方式提供一些规律性的认识。　　(5)圆形阻尼层合结构的材料/结构一体化设计实验研究。基于标准工艺，不同的密度表征不同的微结构形式前提下，引入了微结构构型和宏观拓扑的协同表征方法。以工程中圆形阻尼层合结构为对象，开展阻尼层材料设计和结构构型对结构阻尼比影响的实验研究。从材料和结构两个尺度，研究了不同密度和不同构型阻尼层对结构阻尼比的影响。通过对两尺度实验数据的比对，表明了适当的材料设计和结构构型设计可以提高圆形阻尼层合结构的标准阻尼能力。另外，以最大化结构损耗因子为目标，开展了圆形阻尼层合结构的拓扑优化设计。基于结构阻尼比和单位体积结构损耗因子均表示结构件标准阻尼能力和单调性相同的特性，以实测的结构阻尼比来表征单位体积结构损耗因子，将实验测试与理论计算相联系，研究了结构拓扑优化设计的有效性。即优化设计圆形阻尼层的构型能够有效地降低阻尼材料的用量，提高阻尼材料的利用率。