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随着时代发展，各企业的竞争压力不断增加，在保证结构安全性的前提下实现结构的经济性设计已经成为各大企业的目标。与此同时优化设计理论不断完善，结构优化设计应运而生。结构优化设计分为尺寸优化设计、形状优化设计和拓扑优化设计，其中拓扑优化设计还处在飞速发展的时期，对拓扑优化方法的研究正在不断深入。目前在结构拓扑优化领域已经提出了多种拓扑优化方法，其中变密度拓扑优化法概念简单易懂，并且易于编程，和其基本理论相应的 MATLAB程序也比较完善，本文基于变密度拓扑优化法进行仔细研究。变密度拓扑优化中灰度单元、棋盘格式、网格依赖性等数值不稳定现象是亟待解决的问题。因此本文旨在改进变密度拓扑优化法，并将拓扑优化理论应用到实际工程中，对实际工程进行最优化设计。 本研究主要内容包括：⑴分析了ANSYS中结构尺寸优化常用优化方法，并通过算例证明了一阶优化算法用时虽长，但精度好，所得优化结果比零阶算法所得优化结果好；详细介绍了OPTISTRUCT中结构拓扑优化的流程，用算例分析了基于OPTISTRUCT做结构拓扑优化设计时所需调整的参数。⑵介绍了基于变密度拓扑优化方法的理论知识和文献中已有的几种过滤法的核心思想和实现流程，并在保体积密度过滤法的思想基础上提出了基于改进函数的保体积密度过滤法。保体积改进函数不仅在形式上简便易编程，通过深入分析对比，证明了该函数比保体积 Heaviside函数对单元密度的惩罚力度大。除此之外，本文还通过三个算例证明了基于改进函数的保体积密度过滤法不仅有效抑制了灰色单元、棋盘格式等数值不稳定现象的产生，还保证了所得最终优化结构变形能更小。⑶将拓扑优化理论应用到实际工程—弧形钢闸门中，提出基于拓扑优化方法设计的两种形式的钢闸门—人字形支臂钢闸门和支臂梁联系梁式钢闸门。并将这两种钢闸门与基于规范设计的钢闸门进行对比，证明了基于拓扑优化理论设计的两种钢闸门均比基于规范设计的钢闸门节省材料，其体积减少了38%左右，优化效果明显。其中基于拓扑优化理论设计的人字形支臂钢闸门结构布置更合理，更节省材料。