拓扑优化是复杂产品创新设计和轻量化的重要手段,在航空、航天、兵器、汽车、能源等领域得到了广泛的应用。随着产品性能需求的不断提高,对结构、载荷、轻量化提出了新的需求,传统的单一材料结构拓扑优化技术已难以满足要求。近年来,随着增材制造技术的快速发展和应用,为多相材料结构拓扑优化解决上述问题开辟了有效的途径。多相材料结构拓扑优化已成为学术界研究的热点。本文以多相材料结构拓扑优化为研究对象,重点针对目前多相材料结构拓扑优化方法存在的缺乏评价指标和效率偏低的问题,从评价指标、优化方法、求解效率三个层次进行研究,主要研究成果为:1、在多相材料结构拓扑优化结果的评价方面,提出了多相材料结构拓扑优化的灰度率、离散率以及棋盘格量化等指标,构建了多相材料结构拓扑优化结果评价的基本指标体系,用于多维度、定量评价多相材料结构拓扑优化结果,为不同的多相材料结构拓扑优化方法及其优化结果的优劣设定了比较基准。2、建立多相材料SIMP的插值模型,采用数值验证的方法证明了该模型符合Hashin-Shtrikman边界条件,并在此基础之上提出了多相材料结构拓扑优化基本求解方法,将多相材料结构拓扑优化问题转换成二相材料两两组合的拓扑优化子问题,通过顺序求解多个二相材料的拓扑优化子问题实现多相材料的布局优化,并采用多个典型的二维和三维的多相材料拓扑优化案例验证了方法的有效性。3、针对不同子问题的求解顺序将影响多相材料结构拓扑优化结果的问题,提出了基于近似目标贡献度、基于灵敏度和基于材料弹性模量等3种典型的多相材料结构拓扑优化求解顺序,并通过对3种求解顺序结果进行对比分析,找到了适合最小柔顺度、最小灰度率、最小离散率指标相对应的求解顺序。4、针对目前基于变密度法的多相材料拓扑优化效率偏低的问题,提出了多层分步优化的加速策略,采用分层优化和赋值手段,由粗到精逐步优化,减少了大规模网格划分下的拓扑优化前期计算时间,提高多相材料结构拓扑优化效率,并采用层次间过滤半径的反馈调节避免了优化方法的网格依赖,减少了灰度单元比例。最后采用二维和三维多相材料拓扑优化案例验证了方法的有效性。5、最后在MATLAB环境中开发了多相材料结构拓扑优化分析原型系统,能够用于在多层次分步和非多层次分步两种模式下的二维单相材料拓扑优化、二维/三维多相材料拓扑优化,并能对优化结果进行分析。