增材制造(Addictive Manufacturing)通过材料层层累积的方式能够实现复杂结构的制备。然而,此工艺过程通常需要添加支撑结构,以避免大悬挑部位在制造工程中出现坍塌。此外,增材制造过程中热量的大量汇入会产生较大的温度梯度,引发严重的翘曲变形和残余应力,需要合理添加支撑结构以限制翘曲、增强热扩散减少温度梯度。现有增材制造技术生成的支撑结构通常处于材料过度添加状态,对支撑合理设计从而降低制造成本成了关键问题。引入先进拓扑优化技术设计出结构性能优异且能够被制造的支撑结构也是主要技术难点。本文将针对支撑结构设计问题,考虑增材制造过程中的热力耦合瞬态效应影响,研究建立考虑瞬态效应的热力耦合结构拓扑优化设计的理论和方法;以此为基础,实现基于考虑热力耦合瞬态效应的结构拓扑优化方法的支撑结构宏观构型设计、面向增材制造的点阵材料支撑结构材料微结构构型设计,实现结构件的热变形和热应力缓和。具体研究内容及成果如下:(1)考虑瞬态效应的热力耦合结构拓扑优化方法。增材制造成形过程中结构经历严重的强热力耦合作用、瞬态效应。支撑结构构型设计必须考虑热力耦合环境和瞬态效应的影响。本文首先研究支撑结构的构型设计方法,基于瞬态热力耦合分析的基础上,建立了考虑瞬态效应的热力耦合结构拓扑优化模型和求解方法。为了解决考虑耦合效应带来的计算量大的问题,本文试探是否可通过最优散热结构的设计,实现支撑结构构型设计,建立了最优散热性能的结构构型设计模型。通过具体算例的对比分析,发现考虑瞬态效应的方法与基于最优传热性能设计的方法获得的结构构型差别较大。支撑结构构型设计需要考虑瞬态效应和热力耦合的影响。(2)考虑瞬态效应的热力耦合支撑结构宏观构型优化设计。建立通过设计支撑结构宏观构型,实现支撑结构优化的设计方法。根据建立的模拟增材制造过程的瞬态热力耦合分析模型,研究了多种打印状态下支撑结构构型设计问题。主要思想是以结构件瞬时热变形的时间积分最小为优化目标,考虑支撑结构体积约束建立了瞬态热力耦合拓扑优化模型;基于伴随法推导了目标函数对设计变量的敏度,采用梯度优化算法实现优化模型的求解,通过商用有限元软件模拟了此物理问题。最后,通过对典型算例进行优化设计和数值分析,模拟单层扫描、往返扫描两种扫描方式,增加支撑域中间有打印障碍、上表面为“凹凸”表面等状态分别拓扑,得到对应问题的不同支撑结构优化设计构型,验证了方法的有效性。(3)面向增材制造的点阵材料支撑结构的微结构构型优化设计方法。研究建立以点阵材料作为支撑结构的支撑结构微结构设计方法。在考虑瞬态热力耦合的宏观支撑结构优化设计方法上,引入微单胞,以单胞杆件厚度变化对应的体分比参数作为变量,研究支撑结构性能。以支撑结构上表面位移平方和作为目标函数,建立了能表征支撑结构性能最优的拓扑优化模型。通过将多种单胞填充的优化支撑结构上表面变形同宏观支撑结构的上表面变形比较,找到最佳支撑构建方法。