复合材料因其独特的传热和力学性能,已广泛应用于动力工程和机械工程等领域。考虑结构的承载和传热特性,将拓扑优化理论引入复合材料结构优化设计中,开展复合材料结构的轻量化设计具有非常重要的意义。现有的拓扑优化主要集中于宏观材料或微观结构的单尺度拓扑优化研究,而新兴的材料-微结构一体化拓扑优化方法可实现结构在宏观及微观两个尺度的最优轻量化设计,已成为结构拓扑优化领域的研究热点之一。本文的主要研究内容如下:(1)考虑结构的承载特性,以结构最小柔度为目标函数建立了宏观材料拓扑优化数学模型,对比分析了各向同性材料及各向异性材料的最优拓扑构型及承载特性,讨论了主次泊松比因子及材料方向角对拓扑构型及结构柔度的影响,并给出建议取值范围;以结构最大均匀化刚度为目标函数建立了微结构拓扑优化数学模型,实现了不规则微结构的拓扑优化,并讨论了拓扑优化参数及各向异性材料属性参数对拓扑构型及目标函数的影响;在宏观材料拓扑优化基础上进行微结构拓扑优化,实现了最优承载特性的材料-微结构一体化拓扑优化,并通过算例验证了拓扑优化模型的可行性。(2)考虑结构的传热特性,以结构最小散热弱度为目标建立了各向异性材料的传热拓扑优化数学模型,对比分析了各向同性材料和各向异性材料结构的散热效果,通过算例讨论了热导率因子和材料方向角对结构最优拓扑构型及散热效果的影响,并给出了参数的建议取值范围;基于热应变建立了最大均匀化刚度微结构拓扑优化数学模型,并验证了该模型的可行性;基于最小散热弱度及热应变建立了材料-微结构一体化拓扑优化模型,并对各向同性材料与各向异性材料的材料-微结构一体化拓扑构型进行了对比。(3)同时考虑结构的承载特性和传热特性,建立了二维材料-微结构一体化多目标拓扑优化模型,完成了混合传热边界和机械载荷作用下结构内部特定设计区域的拓扑优化设计,讨论了主次泊松比因子、材料方向角、热导率因子及权重因子对最优拓扑构型及目标函数的影响,并给出了各参数的建议取值范围;将热载荷和机械载荷共同作用下的结构应变作为初始应变条件,进行了微结构拓扑优化设计,并进一步实现了机械载荷和热载荷共同作用下宏观和微观两尺度的材料-微结构一体化拓扑优化。考虑结构承载与传热特性,本文将材料-微结构一体化拓扑优化理论引入动力工程领域复合材料结构的优化设计中,建立了相应的拓扑优化数学模型并开发了优化程序,对复合材料零部件结构的轻量化设计具有较好的理论意义和工程应用价值。