空腔壳状模型是一种形式简单但是被广泛应用的形状,通过调整模型的不同部位的厚度分布可以实现多种功能。为了避免手工迭代设计的繁琐过程,一系列的设计算法被相继提出,但是都在显式离散化的参数化表示基础上进行优化,存在设计空间有限,模型自交,物理分析耗时等问题。本文对空腔模型的参数化设计问题进行了研究,并且建立物理仿真模型预测模型的物理属性例如结构强度、站立、浮力、不倒翁、旋转稳定性,基于物理模拟驱动模型形状的迭代优化设计。具体的,本文提出了两种壳状空腔模型参数表示方法:基于标量场的壳状模型表示和基于函数表示空腔模型表示。基于标量场的表示方法将壳状模型参数化为模型表面的标量场,并且应用至模型的结构强度优化对模型的表面形状进行设计,根据模型受力分析结果对模型的厚度参数进行优化,得到最终优化制造模型。基于函数表示的空腔模型参数化方法引入几何模型的隐式表示对输入形状进行描述,通过形状间的布尔操作,壳状空腔模型可以表示为一个连续可微分的函数。模型的函数表示内蕴的定义了连续光滑的表面,在制造上更加便捷。布尔函数的引入使得模型的内部表面融合处理不需要额外的特殊处理,此性质扩大了模型的设计空间,可以得到更加新颖的拓扑变化的形状,具有更好的物理性能提供所需要的功能。同时,与此前经验式优化相关工作不同,本文基于函数表示的建模可以提供优化的梯度,可以依靠成熟的参数化优化算子来更少的迭代次数收敛至最优化的结构。基于模型的参数化表示,本文提出无网格方式的仿真模拟方式来预测实体模型的物理属性,有效避免了高代价的网格重划分操作,使得优化过程更加高效。相比于此前的工作,本文提出的参数化方式可以得到更新颖高效的结构,并且具有更高的准确性、计算速度以及更少的内存占用。本文通过对优化模型的实体制造进行了检验,验证了方法的有效性和高效性。