壳体-填充结构是一类仿生结构,具有高的刚质比与优良的抗屈曲性能,现已得到了广泛应用。医用植入假体即为壳体-填充结构,表面包络薄壁壳体,内部填充兼顾刚度与渗流性能的多孔结构。针对医用植入假体的结构特性与力学特性,本文研究了考虑孔隙率与渗流约束的壳体-填充结构拓扑优化设计方法。首先,建立了考虑刚度与渗流性能的微结构拓扑优化设计模型。采用结构均匀化方法,以最大化体积模量为优化目标提升微结构的刚度性能;采用流体均匀化方法,以最大化等效渗流系数为优化目标提升微结构的渗流性能;将两种优化目标归一化,并施加最小渗流惩罚,优化得到了考虑刚度与渗流性能的微结构最优拓扑构型。依据实际需要,给定刚度与渗流权重参数值,可以获得相应的微结构拓扑构型。其次,建立了考虑孔隙率约束的结构多尺度拓扑优化设计模型。多数多孔结构常有孔隙率不同的特点,不同孔隙率的微结构视为不同种类,其在宏观结构中的分布可以进一步提升结构性能。整个优化设计流程分为材料分布优化与并发拓扑优化,在材料分布优化中,采用序列SIMP模型,实现了宏观材料密度的分布优化;在并发拓扑优化中,采用序列SIMP模型与能量均匀化方法,实现了宏微观结构的协同拓扑与不同孔隙率的微结构在宏观结构中的分布。对比分析了微结构种类对结构性能的影响,得到了多种微结构分布的最优多尺度设计,实现了在低计算成本的情况下尽可能提升结构性能。然后,建立了考虑孔隙率与渗流约束的结构多尺度拓扑优化设计模型。引入渗流约束,通过在目标函数中添加归一化的渗流惩罚项,替代优化问题中的等式约束,实现宏观渗流的控制。采用体积保持非线性映射函数控制微观材料密度场与敏度场的分布形式,增加材料边界处敏度值,有效实现了微结构流道尺寸的控制,进而将宏观渗流收敛至约束值。优化设计流程仍为材料分布优化与并发拓扑优化,优化得到了包含多种微结构的多孔结构最优拓扑构型,并且这种拓扑构型满足一定的渗流性能要求。依据实际需要,设定渗流约束的数值,可获得相应的多孔结构拓扑构型。最后,建立了考虑孔隙率与渗流约束的壳体-填充结构拓扑优化设计模型。本文设计的壳体-填充结构还是一种特殊的夹层结构,其表面的薄壁壳体用以保持结构外形,提高抗屈曲性能,内部填充不同孔隙率的微结构,并且这种壳体-填充结构具有一定渗流性能。整个优化设计流程分为三个阶段:阶段一为壳体材料分布优化,采用壳体-填充拓扑优化方法,经过两步材料密度的过滤与映射,优化得到了壳体材料的最优分布形式;阶段二为填充材料分布优化,优化得到了多种微结构在填充材料中的预分布位置;阶段三为填充材料并发拓扑优化,实现了保持壳体材料分布形式下填充不同孔隙率的微结构,有效控制了宏观渗流的变化。依据实际需要,设定材料参数、壳体厚度及渗流约束的数值,可获得相应的壳体-填充结构拓扑构型。