近年来,增材制造技术获得了广泛关注与快速发展,有望推动制造业的新一轮技术变革。充分利用增材制造可以加工几乎任意复杂模型的优良特性,开展面向增材制造的创新设计方法研究,是实现结构轻量化、设计引导制造、功能驱动设计的重要途径。作为结构创新设计的重要手段,拓扑优化能够实现多载荷、多工况约束下的材料最优分布,不仅能够实现零件减重增效的应用需求,还可以显著降低材料成本,提高生产效率。将拓扑优化设计方法与增材制造技术相结合,能够更好地发挥创造力与先进制造技术的优势,优化结构的设计空间。然而,传统的拓扑优化设计方法并未充分考虑增材制造技术引入的新的工艺约束问题,表现为优化结果中可能存在悬垂区域或者封闭空腔等。为确保制造过程的稳定性,角度过大或距离过长的悬垂区域需要添加支撑结构,不但容易降低成形效率,而且还会导致额外的材料消耗。如何将尺寸、悬垂、空腔等增材制造工艺约束有效集成到拓扑优化过程中,是面向增材制造的结构优化设计需要考虑的关键问题。鉴于此,本文以增材制造悬垂特征约束为研究对象,以支撑最小化为设计目标,研究了面向增材制造悬垂约束的拓扑优化设计方法,具体研究内容及成果如下:(1)系统总结了拓扑优化设计方法,探讨了增材制造技术与拓扑优化相结合所面临的机遇与挑战。重点分析比较了 SIMP、BESO两类拓扑优化方法,为开发面向增材制造悬垂约束的拓扑优化算法提供理论基础。(2)针对SIMP拓扑优化存在中间密度单元的特点,提出了基于分层滤波策略的SIMP拓扑优化方法,理论上能够消除零件中所有的悬垂区域,并可在滤波过程中有选择地保留零件的特征区域,避免滤波操作改变其关键结构。(3)针对BESO法中设计变量离散的特点,提出了基于悬垂灵敏度分析的BESO方法,根据拓扑优化的离散性质将悬垂结构以设计变量显式表达,然后将悬垂最小化作为一个新的目标函数与原优化问题结合,把悬垂灵敏度和其他性能灵敏度作为更新设计变量的依据,减少优化设计结果中的悬垂结构面积。(4)将本文提出的拓扑优化设计方法应用到卫星支架、锁铰等复杂三维零件当中,通过对比原始与改进算法的优化方案中悬垂区域的大小,验证了算法的可行性和有效性。