在微电子、激光、核电、航天等领域中，高科技元件生产加工过程的热冲击效应越来越受到关注。热冲击与结构耦合系统的设计，是工程中普遍存在的问题，特别是在航空、航天、化工等工业装备以及电子元器件、微电子机械系统等结构和产品的设计制造方面。在数值分析基础上的灵敏度分析、热冲击结构的优化设计以及热冲击参数识别和控制等反问题，是一类具有广泛应用背景的问题。因此，受热冲击影响的结构温度场分析与优化设计数值方法的研究，具有重要的理论和工程意义。 本文研究热冲击问题的温度场分析与优化设计的数值方法，在灵敏度分析与优化设计方法的基础上进行热冲击问题的参数识别，并且在大型有限元分析和结构优化软件系统(?)FEX中实现。本文的研究内容由三大部分组成：1．研究热冲击问题的温度场分析，阐述热波效应的理论及其表现；2．研究热冲击问题的灵敏度分析与优化设计的数值方法；3．基于灵敏度的热冲击辨识问题求解方法。各章节的内容安排如下： 第一章首先综述了热冲击问题的工程背景，然后分别对近几十年基于傅立叶分析求解热冲击问题的传统方法与考虑非傅立叶效应的求解热冲击问题的非传统方法进行了介绍。随后回顾了热结构优化设计及灵敏度分析的研究现状，接着介绍本文研究的软件平台一结构有限元分析与优化设计系统(?)FEX和本文采用的序列线性和二次规划求解算法，最后概述了本文的研究内容和完成的工作。 第二章针对热冲击问题的特点，在分别介绍傅立叶分析的抛物型热传导方程(弱瞬态热传导方程)与非傅立叶分析的双曲型热传导方程(强瞬态热传导方程)的基础上，阐述了本文求解热冲击问题采用双曲型热传导方程的理论依据与求解特点。 第三章从空间域与时间域两个方面分析了有限元法与Newmark法求解双曲型热传导方程的理论公式与迭代求解。并就常用的平面四节点等参元讨论了其具体的有限元列式。针对强瞬态热传导与弱瞬态热传导的差别，分析了采用强瞬态热传导方程后短时间内温度分布的热波效应。最后的算例表明，本章的算法精确度很高。 第四章讨论了热冲击问题的灵敏度分析方法。首先介绍抛物型热传导方程灵敏度分析的直接法和伴随法求解格式，然后推导了双曲型热传导方程灵敏度分析的直接法求解格式，接下来介绍了灵敏度分析的半解析方法。最后的算例表明，本章的灵敏度分析算法精确度很高。 第五章研究热冲击结构优化设计的方法。首先介绍了优化模型的建立及求解方法，随后就序列近似规划方法介绍了一些保证收敛的数值技术。最后给出数值算例，计算表明本章的优化设计方法是有效的。 第六章讨论了基于灵敏度的热冲击辨识问题的求解方法。首先提出了该类热传导反问题的模型建立方法及求解方法，然后给出了双曲型热传导方程灵敏度分析的直接法求解格式，随后介绍了本章采用的序列线性规划算法。数值算例结果表明，本章的基于灵敏度的热冲击辨识问题的求解方法是有效的。 第七章总结全文，并展望进一步的研究内容和工作。