相变传热问题因其复杂性和多变性一直是备受关注的研究热点,而复合材料结构的相变传热分析和结构优化设计则是更加具有理论和实际意义的研究课题。相变传热问题作为一种移动边界问题,网格类的数值计算方法在处理这类问题时需不断进行网格重构,而无网格法只需节点信息,在追踪动态相界面时具有显著优势,且在后续的拓扑优化设计中可以有效避免网格依赖性和棋方格现象。本文基于无网格迦辽金(Element-free Galerkin,EFG)法分析了正交各向异性材料的相变传热过程,并对含有相变过程的各向异性材料热结构进行了拓扑优化研究。主要研究内容包括:(1)基于相变传热学理论,建立了伴有相变过程的各向异性材料的无网格法传热计算模型,并编写了相关的计算程序。采用相变传热经典算例验证了计算模型的正确性,讨论了相变温度区间和时间步长对计算精度的影响,给出了合理的取值建议;将该计算模型应用于具有非规则几何结构的相变传热分析中,讨论了各向异性热导率因子和材料方向角对材料性能和相变过程的影响,热导率因子的合理取值范围为4～6,材料方向角的合理取值范围为0 15;对比FEM计算结果,体现了EFG法在计算精度与动态相界面追踪方面的优势。(2)建立了含移动热源的各向异性材料的无网格法相变传热计算模型,通过工程实际问题验证了计算模型的正确性,比较了EFG法与FEM法在较稀疏节点排布下的计算结果,证明了EFG法在前处理上的优越性。探讨了各向异性热导率因子和材料方向角对材料性能及相变传热过程中温度场与熔池形状的影响,并讨论了移动热源强度和移动速度对相变传热过程的影响。热导率因子的合理取值范围为2～4,材料方向角的合理取值范围为45～60;热源移动速度的合理取值范围为?180～?270 rad s,热源强度的合理取值范围为1×10~9～1.5×10~9 J/m~2·s。(3)基于EFG法和变密度法,以节点密度为设计变量,将整体瞬态散热弱度的时间积分作为目标函数,建立了伴有相变过程的各向异性材料的无网格法拓扑优化计算模型,并与FEM结果对比验证了拓扑优化模型的正确性;探讨了各向异性热导率因子、材料方向角和体积分数对最终拓扑结构的影响;对拓扑优化前后的结构进行无网格法相变传热分析,对比优化前后的相变传热过程,证明了拓扑结构强化传热的有效性。本文基于无网格法研究了伴有相变过程的正交各向异性材料的传热分析及其拓扑优化设计,并将建立的计算模型应用到实际工程问题中,能更精确地追踪动态相界面,具有较高的计算精度,同时证明了拓扑优化结构在强化传热中的有效性,论文研究具有一定的理论意义和工程应用价值。