随着计算机技术的日益进步和优化算法的快速发展，将计算机和先进的优化思想结合融合进工程结构领域，对结构(或构件)进行快速、准确的优化设计，己经成为当前工程结构设计领域不可避免的趋势。同时，由于大多工程结构优化问题具有离散性、不可微分性和非凸性等特点，而传统的优化算法对所优化的问题往往要求连续、可微、非凹等前提条件，己不再适合用于工程结构优化问题的求解，故寻求合理的离散变量结构优化设计方法在工程上有更大的意义。本文正是基于这样的背景之下，对离散变量结构形状优化设计的方法与实现进行了研究。 本文系统介绍了传统优化算法和离散变量结构形状优化问题的进展，结合离散变量结构优化设计的数学模型，详细阐述了离散变量结构优化设计约束条件的统一处理及设计变量连接方案。对实际结构形状优化设计中常用的综合算法和分层算法进行比较。综合算法考虑两类设计变量的耦合，但设计变量个数增加，不适合求解大型问题，且可能出现收敛上的困难；分层算法将原问题分成规模较小容易求解的子问题，虽然削弱了两类变量的耦合，一般只能得到局部最优解，但对于实际工程问题可以取得较为满意的结果。 本文系统阐述了一种相对差商法和渐进节点移动法结合的分层求解策略。设计变量分为截面积和节点位置两类变量，求解时分为两层，第一层截面变量视为离散，在给定节点位置下用相对差商法对杆件截面进行优化，同时考虑了应力、局部稳定约束和位移约束的重量最轻；第二层在第一层优化的基础上，假定截面尺寸不变，形状设计变量视为连续，用渐进节点移动法优化结构形状，通过计算节点灵敏度系数确定需要移动的节点和移动方向并确定移动步长，得到新的节点位置坐标，两层交替进行直至满足收敛条件。该方法的数学模型更接近实际情况，通过算例验证了本方法在形状优化中的可行性和优化程序结果的准确性。 本文将分层优化方法与商用有限元软件ANSYS进行连接。分别用ANSYS作为基于该分层法对离散变量结构进行形状优化的有限元分析模块，分层法作为优化进程和循环迭代的控制程序，进而提出了一套基于APDL的参数化建模、结构优化设计方法与有限元软件衔接的解决方案，实现了优化设计的自动化。这部分工作对今后优化设计的程序开发和软件实现具有参考意义。