拓扑优化是一种按照某种既定的设计要求和约束条件,在需要拓扑设计的区域内对材料分布进行优化的数学方工具和方法,改变了依据经验和直觉的传统设计方法,在航空航天、汽车行业和工业装备等领域有着广泛的应用前景。在实际生产中很多设备装置往往面临着外力载荷和高温环境的影响,热固耦合拓扑优化的概念得到越来越多的重视和研究。但是传统的热固耦合拓扑优化停留在宏观层次上,并且均质材料的拓扑优化设计越来越难以适应现代工业对产品轻质量高品质的需求,如何充分发挥材料微结构应用在产品时的性能,提升结构的刚度和散热性能的潜力成为新的研究热点。本文利用SIMP优化方法结合能量均匀化理论对微结构性能进行优化设计,同时开展了面向热固耦合的结构/材料多尺度设计的研究,主要的工作如下:首先,利用能量均匀化方法推导材料宏观等效属性并结合拓扑优化方法分别实现以极端导热性能和多功能(极端弹性性能和导热性能加权)的微结构拓扑优化设计,对于2D和3D情形的最终优化结构能够符合材料最优分配原则,对微结构的优化设计有一定的指导意义。随后,在前文针对微结构性能优化设计的基础上,引入传统的基于均质材料的热固耦合拓扑优化设计理论,提出面向热固耦合结构/材料多尺度单目标的优化设计方法,推导了约束方程和目标函数的灵敏度,通过与传统单尺度拓扑优化对比,验证了多尺度一体化拓扑结构能够显著提高结构刚度性能,接着在2D情形的基础上,实现了3D面向热固耦合的多尺度单目标拓扑优化设计,证明了理论模型的有效性和拓展性。其次,在单目标拓扑优化的基础上,建立了以结构刚度和散热性能为优化目标的多目标热固耦合并行化拓扑优化设计模型并推导出约束方程和目标函数的灵敏度。通过算例展示了目标函数不同权重系数下宏观结构和微观结构的演化过程以及在不同权重系数下结构的位移和温度变化,数值算例的结果验证了所提出的多目标并行化拓扑优化方法的有效性和对宏观结构的刚度和散热性能的显著改善。最后,在本文末尾总结了文章的研究成果,并展望了未来的研究工作。