压电陶瓷材料灵敏度高,有着较高的压电性能,被广泛的应用在能量收集、智能发电等高技术领域,是最具有发展潜力的智能材料之一。在高技术领域的应用中温度常常变化明显,如当卫星、宇宙飞船在距地面300-500公里轨道运行时,环境温度变化从-150℃-300℃,压电陶瓷材料的结构与压电性能会受到显著的影响,因此研究热-机-电耦合效应具有理论和工程意义。随着当今技术竞争日益激烈以及环境影响、资源短缺,我们急需要开发更加轻质、低成本及热敏度低的压电陶瓷结构。拓扑优化被认为是优化结构和布局的最有效的方法之一,既可以发挥材料的最大性能也可节约材料。目前对压电热弹性的仿真分析,大多采用拉普拉斯变换等方法,不仅计算复杂且计算精度低;对于压电陶瓷的拓扑优化设计大多针对其机电耦合效应,且集中于单一压电陶瓷,能量转换效率相对较低。针对以上问题,本文建立压电热弹性耦合模型,采用直接有限元法仿真模拟压电陶瓷的热-机-电耦合效应;采用变密度法对压电陶瓷进行热-机-电耦合拓扑优化设计;为提高压电结构的压电性能,采用压电陶瓷-金属多相材料,并对其进行多场耦合拓扑优化设计。本文的主要工作如下:首先,进行压电热弹性的有限元建模与分析,采用广义热弹性理论研究压电热弹性问题,引入自由能函数得到广义压电热弹性的控制方程;基于控制方程与L-S型热弹性理论,采用虚位移原理建立压电热弹性耦合模型;利用直接有限元方法模拟仿真二维压电陶瓷板的温度、位移、电势分布。然后,进行单一压电陶瓷的多场耦合拓扑优化设计,基于压电热弹性耦合模型,以压电转换效率为目标函数,确定压电陶瓷多场耦合拓扑优化模型;采用引入伴随法来对目标函数进行求导,采用移动渐近线优化迭代方法求解;对二维压电陶瓷悬臂结构进行拓扑优化设计,压电转换效率明显提高,并对比了机械载荷相同而温度增量不同情况下的优化结构,得出热效应对压电陶瓷结构的影响机理。最后,研究了压电陶瓷-金属多相材料的多场耦合拓扑优化方法,基于固体各向同性惩罚（Solid Isotropic Microstructures with Penalization,SIMP）模型多相材料插值方法,对压电陶瓷-金属多相材料的参数进行插值,确定多相材料的刚度矩阵,建立压电陶瓷、金属和空材料三相材料多场耦合拓扑优化模型,对二维压电陶瓷-金属悬臂结构进行拓扑优化设计。