具有中空截面的板材是车辆、飞行器及船舶等领域中应用十分广泛的一类构件,一方面,由于板材的大量使用,其质量占运载器整体质量比大,因此板材轻量化对于降低车辆、飞行器等运载器的整体质量具有重要意义;另一方面,出于安全性等方面的考量,在进行轻量化的同时满足板材结构的刚度、强度等多个性能指标也是需要考虑的重点问题。因此,本文通过理论推导、实际工程案例以及数值原型计算对该类板材的优化进行了多方面的研究,其中包括以轻量化为主要目的的碳纤维增强编织布材料板材拓扑优化算法研究、基于改进超体积因子的多目标优化方法研究以及基于改进超体积因子的多目标拓扑优化算法研究。本文主要工作及成果如下:1.基于组件思想的复合材料板材单目标拓扑优化方法。对于各向异性材料具有随结构取向变化的力学性质而难以与拓扑优化方法结合这一难点,受MMC方法启发,本文基于工艺简单制造难度低的碳纤维增强编织布这一各向异性材料,提出了一种基于组件思想的各向异性材料拓扑优化方法,该方法能够显式描述力学性能随几何取向改变的结构组件,便于优化过程中直观监测和利用拓扑结构的几何信息;在Matlab平台上实现了该优化算法编写,进一步在运载器中空侧板截面板优化这一实际工程案例上验证了本方法的有效性,优化前后侧板结构在两个主要承载方向上刚度不小于初始设计,并且质量降低34.96%,通过商业软件Abaqus验算,结果表明本方法具有良好优化性能。2.基于改进超体积因子的多目标优化算法。针对基于法向约束方法的梯度类多目标优化算法无法实现高维空间下的约束设置,而基于加权和的多目标优化方法无法解决凹的Pareto前沿搜寻等问题,本文以给出最具竞争性的多目标优化解集这一实际工程应用必要需求为方向,提出了一种能够解决高维多目标优化问题且性能不受Pareto前沿形状严重影响的基于改进超体积因子的多目标优化算法,通过理论分析,对所提方法的目标函数构造及意义、灵敏度分析等方面进行了阐释,特别地对于所用到的局部上界点及其相关问题进行了详细说明,从理论与实验验证两方面说明了所提出的基于改进超体积因子的多目标优化算法的优越性;3.基于改进超体积因子的多目标拓扑优化算法。将所提多目标优化算法与拓扑优化方法结合,提出了两种实用的多目标拓扑优化方法。首先,基于SIMP法对MBB梁最小化质量-柔顺性这一两目标拓扑优化问题进行求解,结果表明本算法能够给出分布均匀、性能良好的Pareto解集;进一步,以基于碳纤维增强编织布材料的运载器中空侧板单目标拓扑优化为基础对该类侧板进行了多目标与拓扑优化,最终给出了一系列不同性能约束下的最优板材轻量化设计;通过聚类分析的方法分别从目标函数域与板材构型域两方面对所得Pareto最优解进行了分类分析,从而为实际工程应用提供了一系列解决方案。