在轻量化、吸能抗震及消声降噪等零部件设计领域,多孔结构具有广阔的应用前景。然而,多孔胞元的复杂结构难以采用传统加工方式成型。增材制造技术具有成型极度复杂结构的优势且加工成本不因零件复杂度的提升而明显升高,这极大地提高了复杂多孔结构的设计自由度,为多孔结构的应用提供了可能。结构拓扑优化可在目标性能和边界条件约束下获得设计域内材料的最佳分布,十分适合于设计新型多孔结构胞元。本文以结构拓扑优化方法设计的多孔结构胞元为研究对象,提出基于拓扑优化的变密度多孔结构设计方法;为了实验分析所设计胞元的力学性能,使用增材制造中的选区激光熔化（Selective laser melting,SLM）技术对多孔结构的胞元快速构筑成型;进而通过准静态压缩实验和数值模拟相结合的方法探究多孔结构的力学性能。最终,将设计的胞元和提出的变密度多孔结构设计方法应用于工程实例,为航空航天、船舶汽车等领域的轻量化设计提供参考。本文的主要研究内容如下:首先,为了获得力学性能稳定的多孔结构胞元,对SLM工艺进行研究:以块体致密度为优化目标,通过正交实验探究SLM的最佳激光功率、扫描速度和扫描间距等工艺参数组合。通过激光共聚焦显微镜观测、致密度测量和力学拉伸性能测试等定量研究最佳工艺参数下SLM成型件的质量,并获得SLM成型的316L力学参数为后续胞元力学特性分析做准备。其次,采用水平集拓扑优化技术,以刚度最大化为目标、材料体积为约束条件,针对四种特定工况优化设计出VL、ECL、PTL、FTL四种不同构型的多孔胞元结构。使用SLM技术将其加工成型,通过准静态压缩实验分析设计胞元结构的应力应变响应,得到其Gibson-Ashby模型;采用有限元数值模拟分析胞元结构在准静态压缩状态下的变形行为和失效过程。接着,提出基于拓扑优化的变密度多孔结构设计方法。建立SIMP整体材料密度分布的拓扑优化模型,通过设计变量的灵敏度分析和OC算法迭代更新单元密度,得到整体最佳材料分布;对设计的多孔结构胞元,按坐标信息进行分区域变密度填充,完成变密度多孔结构设计;以三点弯曲梁为模型,展示具体设计流程并SLM打印成型,通过三点弯曲实验和数值模拟对比变密度多孔结构与均匀多孔结构的力学性能。最后,将变密度多孔结构设计方法应用于工程实例。以飞机轴承支架为原模型,通过变密度多孔结构设计得到优化后模型,经数值模拟发现优化后模型在满足使用强度要求前提下质量减轻了45%,实现了结构的轻量化设计。采用SLM制造优化模型,其具有良好的可制造性,证实变密度多孔结构设计方案的有效性。