具有较大长宽比且轴向截面相同的长大结构标准段遭受物体横向碰撞作用时,碰撞变形区域往往集中在设计区域的局部,对其它非接触碰撞区域的影响很小。常规拓扑优化求解时间长并且无法得到清晰的、孔洞结构的拓扑构型,而长大结构端部主要用于结构的连接与强度校核。因此,本文开展了长大结构标准段的拓扑优化方法研究。首先,以逃生管道的耐撞性分析为切入点,并分析了结构拓扑优化及混合元胞自动机方法;在此基础上,提出了一种基于HCA方法的长大结构标准段快捷拓扑优化方法,实现长大结构标准段的整体结构优化设计。该方法将材料属性作为设计变量,结构的最小内能变化为目标函数,通过Hertz接触碰撞理论确定设计区域的子域范围,从而快速地获得清晰的、孔洞结构的拓扑构型。利用所提出的方法,对逃生管道进行了拓扑优化分析,讨论了逃生管道的优化子域在有无施加几何拉伸约束条件下的拓扑构型。结果表明,在优化之后,均可快速得到清晰的、孔洞结构的拓扑构型,相对于常规拓扑优化计算时间节省了近82%。然而,根据工程实际施加了几何拉伸约束获得的拓扑构型更加利于截面拓扑构型的提取。其次,为了实现新型逃生管道多目标稳健性设计,结合信噪比与满意度函数,提出了一种基于满意度函数的多目标稳健性设计方法。该方法将产品质量特性的信噪比转换为产品质量特性所能达到的满意度,同时满意度具有田口稳健性设计的望大特性,从而可实现信噪比与满意度之间的相互转换,最后通过加权几何均值实现结构的多目标稳健性设计。运用该方法对新型逃生管道实施了多目标稳健性设计。结果表明,稳健性设计后的新型逃生管抵抗噪声因子的干扰能力增强,结构更稳健,稳健解相对其最优解的新型逃生管道质量降低了 9.6%。最后,利用新型逃生管道取代传统的逃生管道结构,对隧道安全逃生管道车结构进行了设计,有效地解决了传统逃生管道质量较重、在隧道施工过程中移动不便等问题。