拓扑优化根据应用需求在概念设计阶段确定产品结构雏形,是现代最具有发展前景的结构设计方法之一,在航空航天、建筑、船舶以及机械制造等领域受到广泛关注。为满足新型结构、工艺、制造方法对结构设计方法的新需求,基于尺度分离设计思想的多尺度拓扑优化方法已成为优化领域的一个重要研究方向。然而该类方法目前仍存在模型表达繁琐、分析计算困难、多尺度优化难以同步、几何连续性差及分析精度偏低等问题。为此,本文从几何表达机制、结构分析模型、优化分析方法以及并行计算技术出发,对多尺度拓扑优化方法展开深入研究,主要工作如下:（1）针对尺度分离下的模型表达繁琐、分析计算困难问题,研究基本微结构构型的水平集函数重构方法、形状插值技术以生成骨架统一的同构微结构,通过自适应调配异构微结构周期区间使其骨架通过晶胞节点串联起来,从而构建连接性良好的多尺度表达机制,实现设计参数的降维。并结合均匀化方法与插值策略,建立多尺度分析模型,为大规模结构拓扑优化奠定理论基础。（2）现有多尺度拓扑优化方法普遍采用分层的解决方案,各尺度的优化信息存在迟滞,导致多尺度同步优化困难。为此,提出一种基于等效特性代理模型的同步优化机制,该方法利用同构微结构几何模型与宏观等效特性的数学联系,基于特征样本数据构建等效特性代理模型,建立微观构型与宏观性能的有效连接,突破现有多尺度方法存在的设计界限,消除优化信息迟滞,实现多尺度结构的同步优化。（3）针对现有多尺度优化存在的几何连续性问题,采用参数化水平集曲面切割基础阵列结构生成多尺度结构,构建曲面切割的结构几何模型,并研究基于相对密度的切割微结构样本提取方法,结合周期化处理过程与均匀化算法,建立微结构等效特性分析模型。利用水平集曲面的几何连续性,实现优化结构的高阶连续。（4）为解决现有多尺度优化分析精度差的问题,将非均匀有理B样条基函数作为参数化水平集的插补函数,利用B样条连续性特性对物理场进行高阶逼近,提高结构分析与优化分析精度。针对高阶单元计算效率低的问题,研究GPU并行计算,提出多尺度拓扑优化并行算法,对微结构等效特性分析、刚度矩阵计算、优化求解过程进行并行加速,实现十万自由度下高达61倍的GPU/CPU加速比,有效提高多尺度结构分析与优化的计算效率。基于上述理论方法,研究软件系统框架及核心算法模块开发技术,在Visual C++的集成开发环境下,研究开发基于等效特性代理模型的优化算法、基于曲面切割的优化算法以及基于NURBS的优化并行算法功能,实现多尺度拓扑优化原型系统开发,并通过典型算例进行验证。该系统及关键核心算法为实现自主可控的优化驱动设计分析一体化软件提供借鉴。