拓扑优化是以力学、数学为核心,以优化理论为基础的一门学科,通过寻找给定设计域内材料最优分布,实现结构性能最大化目的,被广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医疗等领域。传统拓扑优化主要针对结构的宏观尺度进行设计,随着现代工业产品对结构性能要求的日益提升,单尺度结构优化已无法满足这样的需求。微结构由于具有质量轻、比刚度和比强度大、隔振和隔热效果好等优点,越来越受到广大研究人员的喜爱,考虑细观微结构的多尺度拓扑优化更能充分发挥结构的性能。在多尺度拓扑优化中,为使迭代稳定收敛,宏观优化与细观微结构优化是分开进行的,微结构构型的变化没有对宏观材料分布产生影响。为进一步改善结构性能,本文建立了基于变密度法的宏细观多尺度并行拓扑优化设计模型同步优化宏观结构及细观微结构,基于该模型研究了力载荷结构、热载荷结构的单目标优化,热力载荷共同作用结构的多目标优化。首先,建立了多尺度并行拓扑优化模型与非并行拓扑优化模型,对比分析了并行优化与非并行优化结果,验证了本文所提并行优化方法能较大幅度提升结构性能。针对多尺度优化设计变量大的问题,分别采用均匀划分方法与聚类划分方法对宏观结构设计域进行划分,分析比较了不同划分方法的优化结果,发现聚类划分方法更加有效,大大减少了计算时间成本的同时提升了计算效率。设计了聚类方法改进模型,防止优化后期聚类边界值的跳动现象,提高优化的收敛速度。其次,对力载荷结构进行了多尺度并行拓扑优化设计,建立了采用聚类方法的力载荷结构多尺度并行拓扑优化设计模型。该模型考虑微结构对整体宏观结构性能的影响,针对宏观优化的结果,将每次获得的微结构填充到宏观结构中,重新评价宏观结构的性能,指导下一步的宏观优化,得到微结构的体积及宏观位置分布;然后再进行微结构的拓扑优化设计;再把获得的最优微结构填充到宏观结构中,评价宏观结构的性能,依次循环,直到获得最佳微结构构型及位置分布,从而也获得最优性能的宏观结构。以悬臂梁结构、MBB梁结构和Michell结构为优化对象,通过对宏细观多尺度并行优化结果的分析,进一步验证了所提方法的正确性与有效性。接着,对热载荷结构进行了多尺度并行拓扑优化设计,建立了采用聚类方法的热载荷结构多尺度并行拓扑优化设计模型。采用该模型对稳态热传导条件下四边界恒温结构、四顶点恒温结构、中心恒温结构的散热性能进行优化设计,从优化结果可以看出建立的多尺度并行拓扑优化模型具有通用性。最后,对热力载荷共同作用的结构进行了多尺度多目标并行拓扑优化设计,分析不同权重系数下的结构力学性能与热学性能,可以清晰的看出多目标优化极大的提高了结构的综合性能。