随着电子设备的尺寸不断减小,元件的集成化程度不断增加,工作时产生的热量将持续积聚在狭小空间内部,导致设备及其周边的环境温度不断上升。为了同时满足散热效率、成本以及空间三者的要求,可在电子元器件的基板中铺设具有一定形态的高导热材料,将热量快速传导至外部环境后再进行散热。合理的高导热材料分布形态将有效提高传热效率进而降低设备温度,因此需要对高导热材料的分布形态进行优化设计。现有设计方法所得的传热结构存在传热效果不理想或难以制造等问题。本文通过对自然界分支系统形态特征及生长规律的研究,利用仿生拓扑优化方法设计具有理想传热效果且便于制造的传热结构。自适应成长法基于自然界分支系统思想,应用该方法设计传热结构时,由于网格依赖的原因,会出现平行通道。针对该问题,在原方法中引入考虑密度梯度信息的敏度过滤方法,提出分层自适应成长法。通过四个边界条件不同的数值算例,验证了分层自适应法的有效性,该方法能有效减少拓扑形态中的平行通道,同时设计结果的传热性能比无敏度过滤结果相比有一定改善。加入不同敏度过滤方法的设计结果表明,考虑密度梯度信息的敏度过滤方法最有效。综合研究自然界分支系统的形态特征与生长规律,以及传热结构设计要求,提出了“热流树”设计方法。在该方法中,将传热通道简化为由起点、终点及宽度定义的规则形状进行设计;借鉴叶脉的层序生长过程,将传热结构的设计分为主通道设计与次通道设计两层,并通过叶脉中不同层序的体积分数来控制主通道体积分数的上限;采用考虑温度信息的空间殖民算法确定主通道的终点;应用最小热阻原理确定次通道的起点;采用改进的Murray法则在设计过程中更新各传热通道的宽度。通过三种不同边界条件的数值算例,对比分析“热流树”设计方法与传统传热结构设计方法的设计结果,“热流树”设计方法可获得更为合理的传热结构,具有更优的热性能指标。选取不同的主通道数量以及分歧指数,分析不同参数选择对设计结果的影响,验证了基于自然分支系统的参数选择的合理。搭建实验平台,根据“热流树”设计方法,制作传热结构,通过实验对比验证“热流树”设计方法与传统方法的实际传热效果。通过热像仪监测实验中试件表面的温度分布,其中“热流树”设计方法所得传热结构传热性能最佳。