柔顺机构是一种易实现高精度、微型化、一体化设计加工的新型免装配机构,其在微纳操作、柔性机器人以及生物医学工程等领域得到了广泛的应用。随着计算机技术的飞速发展,拓扑优化方法已是柔顺机构主要的设计方法之一。柔顺机构往往经历大位移、大转动变形,考虑几何非线性进行柔顺机构拓扑优化设计是非常有必要的。目前,柔顺机构拓扑优化设计主要集中基于线弹性有限元理论,因此本文进行大变形柔顺机构应力约束拓扑优化设计研究,主要研究内容如下:（1）连续体结构几何非线性拓扑优化设计。采用Total-Lagrangian描述方法和增量式Newton-Raphson法求解机构的大变形响应;利用基于假设密度场的单元势能插值法以避免几何非线性拓扑优化出现的数值不收敛问题,以柔度最小化为优化目标函数,以结构体积作为约束,建立起大变形连续体结构几何非线性拓扑优化数学模型,采用采用移动渐近线算法求解优化问题。数值算例表明基于单元势能插值法的连续体结构几何非线性拓扑优化设计方法是有效的。（2）基于全局应力约束的大变形柔顺机构拓扑优化设计。为了避免大变形引起静强度失效,提出一种考虑全局应力约束的大变形柔顺机构拓扑优化设计方法。采用改进的P范数方法将所有单元局部应力约束转化为一个全局应力,以柔顺机构的输出位移最大化作为优化目标函数,以机构的应力和体积份数作为约束,建立考虑全局应力约束的大变形柔顺机构拓扑优化模型。数值算例表明拓扑优化获得的大变形柔顺机构能够有效满足应力约束;随着允许应力约束值的减小,机构构型中的铰链区域逐渐扩大,使机构的柔度分布更加均匀,但是输出位移逐渐减小。（3）基于堆积单元法的多相材料柔顺机构几何非线性拓扑优化设计。考虑材料相关边界条件,采用单元堆积法进行多相材料结构单元刚度矩阵的计算,以柔顺机构输出位移最大化为优化目标函数,以各相材料体积份数为约束条件,建立其基于堆积单元法的多相材料柔顺机构几何非线性拓扑优化模型。数值算例进行验证所提出的设计方法的有效性,为了满足装配或机械/热阻抗匹配等要求,当输入、输出端赋予特定材料时,多相材料柔顺机构几何非线性拓扑优化获得的柔顺机构构型分布能够满足材料相关边界条件。（4）考虑应力约束的多相材料柔顺机构几何非线性拓扑优化设计。采用可分离的应力插值模型计算各相材料的单元应力,以柔顺机构输出位移最大化为目标函数,以各相材料体积和各相材料的全局应力为约束条件,建立考虑应力约束的多相材料柔顺机构几何非线性拓扑优化模型。数值算例验证了所提出的设计方法的有效性;获得柔顺机构拓扑构型各相材料的最大应力均小于或等于各自允许的应力约束值,使得机构满足强度要求,并且有效地降低了机构应力水平和应力集中程度。