在先进制造业中,大型装备的优化设计是产品性能控制的关键技术。拓扑优化是结构优化设计初期的首要选择,国产拓扑优化软件起步较晚,相比之下,国外软件技术成熟、算法稳定。因此,迫切需要发展自主拓扑优化工业软件。本文重点研究了拓扑优化与有限元方法,开发了一款自主拓扑优化工业软件,实现了从前处理到优化计算再到后处理的结构优化全流程。本文具体研究内容为:第2章介绍了SIMP变密度拓扑优化方法,给出了体积分数约束下的最小柔度问题的拓扑优化模型。推导了一阶四面体、一阶五面体、一阶六面体三种单元的形函数及刚度矩阵,并介绍了拓扑优化求解中的灵敏度分析、过滤方法和最优准则方法,为拓扑优化求解器的开发奠定了基础。第3章开发了拓扑优化工业软件TopStruct。介绍了软件的架构设计与各模块的开发过程。软件前处理器部分通过调用外部开源库实现了CAD文件渲染和有限元网格划分功能。开发了有限元求解器和拓扑优化求解器,运用稀疏矩阵存储和CPU多核并行计算的方式提高软件计算效率。介绍了表面提取算法和表面光滑处理算法,并在软件中实现了拓扑优化最优模型的后处理和文件输出功能。第4章利用三个算例对软件性能进行评估。利用TopStruct软件对悬臂梁、桥梁、圆环结构划分有限元网格,并进行体积分数约束下的最小柔度拓扑优化求解。将所得结果与商业软件Opti Struct比较,验证了所开发软件的计算效率和计算结果。有利于促进我国拓扑优化软件自主开发能力的提升。最后,总结了全文的工作,并做出了展望。