拓扑优化技术可以为工程师提供更为经济、高效和新颖的产品设计解决方案,近年来已被广泛应用于航空航天、汽车船舶等诸多工业领域中。然而,传统隐式拓扑优化框架通常存在设计变量数目多、边界几何信息不明确、结构分析计算量大以及无法与CAD系统直接集成等一系列问题。即便是在显式拓扑优化框架下,在基于固定网格的结构分析模型中仍然无法避免出现灰度单元等问题。为了解决上述问题,本文将可移动变形孔洞法与剪裁曲面分析技术相结合,发展了相应的显式结构优化框架。其中,可移动变形孔洞法使用B样条曲线描述孔洞边界,因此可以提供结构边界轮廓的显式描述信息,无需任何后处理即可建立起优化结果与CAD系统的直接联系。此外,该方法仅需少量几何参数即可完全确定孔洞的形状与布局,可大幅减少拓扑优化的设计变量数目。剪裁曲面分析技术可直接使用孔洞边界参数进行高精度的结构响应分析,能够有效避免传统等几何分析方法中对拓扑复杂结构实施的补丁划分与拼接操作,因此在提高计算效率和保持结构连续性方面具有独特的优势。考虑到上述方法的优势,本文将可移动变形孔洞法和剪裁曲面分析技术应用到壳结构优化设计工作中,并对相应数值算法展开了研究。本文的具体研究内容可简述如下:一、提出了一种基于等几何分析剪裁技术的壳结构显式拓扑优化方法。其中,MMV框架用于更新结构拓扑并提供孔洞边界信息,TSA技术用于为优化过程提供高精度的结构分析结果。通过对孔洞边界进行离散、识别和插值拟合,可将MMV框架中的融合孔洞边界处理为适用于TSA分析技术的剪裁曲线,融合处理过程具有极高的准确性和鲁棒性。数值算例表明该算法在壳结构拓扑优化中的有效性。二、基于显式优化框架,提出了一种面向壳结构的形状拓扑协同优化方法。通过引入多级设计概念实现了形状优化模型和结构分析模型的无损转换,因此可以在优化过程中同时兼顾形状优化效率和结构分析精度。该方法将壳结构的形状/拓扑设计变量集成到统一的数学问题中,可以在高度一致的模型中同时优化壳结构的中面几何形状和结构拓扑形式。与以往方法相比,该方法可有效节省结构分析与优化计算的时间成本。数值算例表明该方法在解决壳结构协同优化问题时的有效性和可靠性。