拓扑优化以其低成本、高效益的优点受到各个行业的青睐。作为一种创新型的设计手段,拓扑优化被广泛地应用于航空航天、汽车船舶等领域。近几年来,增材制造技术的兴起和传统制造业对结构信息的准确需求给拓扑优化方法提出若干挑战性问题,其中关于结构可制造性的自支撑结构设计(面向增材制造)问题和结构复杂度控制问题备受关注。然而,传统拓扑优化方法采用隐式的方式描述结构拓扑,导致结构边界几何信息提取困难,处理上述问题则显得力不从心。针对上述的两类问题,显式拓扑优化框架下的可移动变形孔洞法(MMV方法)和可移动变形组件法(MMC方法)能简单直接地给出解决方案。这是由于在显式拓扑优化框架下,结构的每个边界都有解析的表达式,可以通过计算直接得到相应的几何信息(尺寸、角度、法向量等)。对于上述问题,本文基于显式拓扑优化框架进行如下的研究:一、在MMV方法中引入可打印孔洞特征的概念,采用B样条曲线构造孔洞和结构外边界,在拓扑优化过程中直接采用悬垂角约束限制内部孔洞和外边界的变形,进而设计出面向增材制造的自支撑结构。相关设计方案可直接与CAD系统无缝连接,无需任何后处理工序。二、考虑到MMC方法中组件与实际结构中的构件有着相似的特点,本文提出了与组件尺寸有关的计数函数,分别通过删减组件和有效组件的方法,进而实现了连续体结构的复杂度控制。与传统拓扑优化方法相比,该方法具有高效、直观、显式等特点。本文采用数值分析结合理论推导的方式,通过大量数值算例验证了所提方法的有效性。