增材制造技术是一种革命性的制造手段,在近十几年间发展迅速,其发展和应用受到国内外广泛关注和高度重视。增材制造技术采用材料逐渐累加的方式制造结构,相对于传统的制造手段,能够实现高度复杂结构的自由“生长”成形。这拓宽了结构的可设计“空间”,使面向性能而非可制造性的设计成为可能。结构拓扑优化能够根据性能要求在设计域内合理布置材料自动获得最优的结构形式,是先进结构创新设计的有效工具。将增材制造(先进制造技术)与拓扑优化(先进设计方法)结合对先进材料与结构的研发具有重要意义,需要研究实现两者结合中遇到的问题,例如,结构构型设计中需要考虑制造工艺对结构特征尺寸的限制以及制造进程设计对结构残余变形的影响等。本文分析扫描轨迹对增材制造结构热变形的影响,研究建立实现热变形缓和的扫描路径设计方法以及支撑结构的支撑点位置设计方法；考虑制造工艺对最优构型的影响,研究建立考虑最大和最小特征尺寸约束的结构拓扑优化模型和求解方法。为增材制造与拓扑优化的结合提供了一定的基础。主要研究内容和成果如下。(1)面向结构热变形缓和的扫描轨迹优化设计。增材制造过程中局部热源移动引起温度分布不均匀,极易引起大的温度梯度造成热残余变形。针对热残余变形缓和的需求,建立了利用激光在一块金属板的上方中心区域进行扫描的数值仿真模型,分析了扫描轨迹对热残余变形的影响机理,研究建立了基于分区扫描的扫描轨迹两步设计方法,该方法能够实现分区设计(分区几何以及分区扫描次序)和分区内部的扫描轨迹设计。针对具体设计实例,给出了优化的分区扫描路径设计。设计结果表明,扫描轨迹设计能够大幅缓和热残余变形。(2)面向结构热变形缓和的支撑点位置优化设计。增材制造过程中往往需要使用支撑结构,一个重要的原因在于支撑结构能够限制上方结构发生的热变形。为了去除的方便,支撑结构同上方结构之间往往采用点的形式连接。针对增材制造结构热残余变形缓和的需求,提出了支撑结构与上方结构间连接点位置的优化设计问题。针对优化设计时需要进行大量非线性热力耦合仿真模型求解的问题,提出了一种建立真实仿真模型的等效简化模型的方法,利用等效模型进行优化可以大幅减小优化的计算量。针对等效模型同真实模型有一定偏差的问题,提出了一种逐步修正等效模型的迭代的优化设计方法。通过具体的设计实例验证了方法的有效性。(3)基于映射的拓扑优化最大最小尺寸控制方法。拓扑优化方法经过几十年的发展,已成功应用于工程结构的构型设计。然而,由于制造工艺的限制,拓扑优化结果通常无法直接应用,需根据工艺要求进行修改,因此在拓扑优化模型中考虑制造约束成为重要的研究方向。其中,尺寸控制广泛存在于大部分制造工艺中,主要包括最小尺寸控制与最大尺寸控制。面向上述需求,提出了一种基于映射的拓扑优化最大尺寸控制方法,构造了一种新的映射模型对结构中不满足最大尺寸约束的中心单元密度进行惩罚,在不引入任何约束条件的情况下实现了对结构最大尺寸的控制。在此基础上,将该方法中的惩罚转变为一个全局约束条件后与具有最小尺寸控制功能的拓扑优化鲁棒列式相结合,实现了对结构的最大最小尺寸协同控制。此外,简要研究了基于映射的对称与模式重复约束以及悬挑结构最大角度约束实现方法。通过拓扑优化设计实例验证了所提出的方法的有效性。(4)面向改善寻优结果的拓扑优化寻优进程研究。目前,拓扑优化方法并不能保证得到全局最优的结构形式,在一些问题中可能会得到不够理想的寻优结果。针对这样的问题,通过一个使用多种初始解的算例从直观角度对拓扑优化的寻优进程进行了分析,指出拓扑优化的寻优进程分三种方式。其中中间密度值的基结构演化这一方式会在构型接近于0-1分明时消失。针对基结构消失后无法再次产生的问题,提出了一种重新布置基结构的寻优策略,并且提出了一种基于干预敏度的拓扑优化寻优进程控制方法用来实现这一寻优策略。数值算例表明这种寻优策略有助于改善较差的优化结果。