随着科学技术的突飞猛进,结构拓扑优化设计理论取得了长足的发展和进步,并在汽车制造、航空航天和武器研发等领域中的应用愈加广泛。然而传统拓扑优化方法一般都以隐式的方式来对结构边界进行几何描述,这往往导致优化结果可制造性差,难以对重要的几何特征尺寸进行精确控制等问题。本文所选用的基于显式描述的移动可变形组件(Moving Morphable Components,MMC)拓扑优化框架能够在一定程度上克服已有拓扑优化方法的缺点和不足,并且在不同学科领域中有着广阔的应用前景。当前在MMC拓扑优化框中所优化结果几乎都是实心的矩形截面结构,然而在工程领域中一些承载类的框架(车体骨架、卫星伸展臂、大型空间望远镜的桁架支撑等)及加强筋设计中往往存在不同类型截面的构件(圆形、空心、T型、I型和U型等)。值得注意的是在不同边界条件和载荷工况下选择合适类型的构件会使整体结构拥有更加优良的力学性能,此外在设计域内存在一些由不同几何特征组成的复杂非设计结构区域。这些都对MMC拓扑优化框架的建模能力提出了新的要求和挑战。在MMC拓扑优化框架下,本文充分考虑在工程领域中空间结构建模的复杂性,提出了不同维度下多种类型组件拓扑描述函数(TDF)的构造方式及相关的拓扑优化方法,并基于此进一步开展装甲车加强筋拓扑优化应用尝试。具体研究内容如下:本文发展了一种基于区域面积函数描述的二维移动可变形组件(MMC)拓扑优化方法。该方法针对多边形组件的显式描述展开研究,通过建立设计域中任意节点与二维多边形组件中各个关键点之间的区域面积相关性表达式,用于构造二维组件的拓扑描述函数。所提出的方法具有非常直观的建模效果,扩展了二维组件拓扑描述函数的建模方式,且能将其运用于任意二维多边形组件拓扑描述函数的构造中。在此基础上结合组件间的“布尔操作”对二维多截面组件进行建模,使组件的变形能力更加灵活。在实际工程中大部分结构为多面体几何模型,为此本文在对二维组件建模方法扩展的基础上,发展了一种基于区域体积函数描述的三维移动可变形组件(MMC)拓扑优化方法。该方法针对多面体组件的显式描述展开研究,通过建立设计域中任意节点与多面体组件中关键点和面所构成的体积相关性表达式,用于构造多面体组件的拓扑描述函数。在此基础上结合组件之间的布尔操作可以用于不同截面类型直型组件的建模。所提出的方法对三维多面体组件的建模方式进行了扩展,能够将组件中关键点的坐标直观用于组件拓扑描述函数的构造。本文还开发了两种空间柔性可变形组件,能够将其运用到一些非经典的退化解拓扑设计中。在实际工程应用中还存在大量类似柱类、轴类、杆类等具有旋转体特征的结构。为此本文从旋转体数学定义出发提出了一种基于区域旋转体描述的三维移动可变形组件(MMC)拓扑优化方法。该方法针对旋转体组件的显式描述展开研究,结合自定义的体截面函数和端截面函数,提出了旋转体组件拓扑描述函数的构造方式,解决了MMC显式拓扑优化框架下具有旋转体特征结构的建模问题。在组件显式描述方法的研究基础上,针对某型装甲车开展加强筋优化布局应用研究。当前在装甲车加强筋优化布局设计的研究中仍然以经验式和局部尺寸、形状优化设计为主,优化结果极易产生材料浪费及车载附加质量过大等问题。为此在MMC显式拓扑优化方法下,将所要布置优化的加强筋映射为一系列具有显式几何特征的三维组件。将体积描述和旋转体描述拓扑优化方法用于解决装甲车顶甲板加强筋布局问题。在此基础上分别从系统静力学和动力学特性出发,对装甲车顶甲板加强筋布局基于整体结构刚度和固有频率等方面进行优化。结合Ansys中参数化建模功能,编写能够快速实现装甲车车体顶甲板及加强筋建模的APDL命令流,在相同工况和边界条件下进行仿真计算,与拓扑优化结果进行仿真对比验证。