拓扑优化是结构优化过程中的重要组成部分,目前针对结构线性变形问题的拓扑优化方法的研究已经相当成熟,而对于处理结构在非线性工况下的拓扑优化方法的研究还处于发展阶段。本文实现了 LS-DYNA显示动力学软件与CA(Cellular Automata)模型耦合求解的HCA(Hybird Cellular Automata)拓扑优化算法,并通过Matlab动态更新LS-DYNA关键字文件中的材料属性及结构尺寸参数,开展对几何非线性、材料非线性和接触非线性工况下结构拓扑优化方法的研究。利用改进的HCA算法,结合具体典型实例,对比分析了几何线性与非线性工况以及材料非线性小变形与材料非线性大变形工况的拓扑优化结果,证明了工程设计中考虑结构非线性问题的重要性,并通过建立质量调控函数及二次收敛的判断准则,实现拓扑优化结构的总质量精确收敛于目标质量。针对材料非线性小变形工况下的HCA拓扑优化算法在优化过程中的质量突变及震荡不收敛现象进行了系统分析并通过建立控制算法消除了数值波动问题。在前述研究基础上,针对强非线性工况下薄壁吸能结构的拓扑优化问题,采用内部填充薄壁墙的方式,通过删除低于厚度下限的填充墙,实现了强非线性工况下薄壁结构的耐撞性拓扑优化,打破了传统的耐撞性结构优化方法和HCA拓扑优化算法必须基于三维实体网格单元建模的局限性,显著提高了结构碰撞优化的精度,对汽车、轨道交通等领域关键安全结构件设计具有重要的意义。