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结构优化设计能够在满足结构性能要求的前提下，节约使用材料，降低工程造价，具有显著的经济效益。论文主要研究了结构的重分析，优化算法，及桁架结构和连续体结构的拓扑布局优化等热点和难点问题。主要内容如下：
(1)定义基内力的概念，导出伴随结构拓扑生成过程而动态生成的基内力的计算公式，提出了利用基内力进行桁架结构分析的拓扑变化法，给出通过基内力的修正来实现的重分析计算过程。
(2)通过分析混沌特性和基本混沌优化算法优缺点，建立基于种群搜索的变空间混沌优化算法。利用由多组设计变量构成的种群并行搜索的结果，不断地缩减、移动寻优空间，加快搜索进程、提高算法精度。
(3)将相对差商法和混沌优化结合起来，形成求解离散变量结构拓扑优化设计的混合算法，可以有效跳出局部最优解，并且降低了重分析次数，提高了求解效率。
(4)提出一个基于多个初始基结构的布局优化方法。在克服传统基结构法限制求解空间的局限性的同时，将形状和拓扑优化设计有效分离，并且结合拓扑变化法，实现了桁架结构从选型生成、分析计算到优化设计的一体化智能设计过程。
(5)建立连续体结构在设计相关荷载作用下的拓扑优化模型，并以渐进拓扑优化法为基础，通过引进流动参数和灵敏度分析等手段实现模型的求解。推导出目标函数关于设计变量的灵敏度计算公式。以重力坝横截面和拱坝水平截面的拓扑优化设计为例，考虑水荷载和自重荷载的设计相关特性，将拓扑优化设计应用于水工结构设计中。