结构轻量化设计一直以来都是国内外学者们研究的热点问题。结构轻量化的目的是在保证结构件使用安全的前提下,使用尽可能少的材料来达到同样甚至更好的受力效果。在结构件初始设计过程中,拓扑优化可以让工程师通过给定材料的体积比,从设计域中去除不必要的材料,从而得到质量更轻、强度上满足要求的新结构。然而,目前的拓扑优化算法多是以每个单元的密度作为变元,从而逐个考察单元的“生”、“死”,这需要不断去除低效材料单元,从而得到应力相对均匀分布的结构拓扑,方法迭代速率较慢,尤其对于大型工程结构问题,迭代计算效率较低。基于此,本文发展了一种基于有限元网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法,可在不改变设计域包络的情况下（例如维持流型、艺术外观和附加功能等）对结构进行减重。首先,分别对二维问题和三维问题发展相应的有限元网格退化和重组算法,并在刚度等效的意义上对网格进行重组,建立了具有杆元拓扑特征的有限元模型。要实现在有限元网格内部通过去除材料达到拓扑优化的目的,需要将填充面域的二维网格和填充体域的三维网格进行单元退化,可使用网格边界作为退化单元,得到类似于桁架杆元的结构型式。这样一来,原结构的设计域由桁架结构进行填充,其包络线仍符合原设计域的拓扑形状要求。之后,在不改变网格结点数目和位置的基础上,由桁架单元重构有限元网格,并提交给内核计算程序进行分析。由于桁架结构内部空间的中空性,可以预期,原设计域的体分比可得到有效提高,并可由桁架横截面积参数唯一控制。其次,以全局种子网格的长度尺寸和杆元横截面积为优化变量,构造了域内双层驱动拓扑优化问题,得到具有最优体分比的杆元拓扑结构。在所构建的拓扑优化问题中,充分利用外部有限元网格划分算法,以结构重量为优化目标,外层优化驱动器控制网格尺寸,内层优化驱动器控制杆件横截面积,对平面结构和空间结构进行拓扑优化设计。数值算例表明,所提方法可获得新型式的结构拓扑优化方案,并可将结构拓扑优化理论推向工程化应用。