随着多材料零件在汽车、建筑、医疗、电子、航空航天等领域的广泛应用,为了提高其性能而进行几何结构与材料分布的优化设计变得尤为重要。为支持几何设计与材料设计同步进行的多材料拓扑优化方法,需实现几何拓扑可变的零件几何建模以及材料分布可变的零件材料建模。当前计算机辅助设计技术在多材料零件的材料属性表达上存在不足,需研究多材料零件的离散化表达方法。多材料零件的设计除了描述外部形体的几何模型与描述内部组成的的材料模型之外,在不同的应用场景下,针对不同的物理分析过程,还需构建相应的物理属性模型。针对多材料零件的多物理属性分析过程的可视化表达,需开发相应的设计建模软件。围绕以上需求,本文主要研究实体模型的体素离散化算法、多材料零件的设计表达、物理属性建模方法以及基于体素的几何材料建模软件开发。针对零件几何的体素离散化,研究基于特征点的表面体素化算法和基于扫描填充法的内部体素化算法,以实现从三角网格模型到体素模型的转换。针对零件内部材料分布的定义与设计,为实现不同几何位置的物理属性表达,研究基于体素模型的梯度源映射方法。针对结构变形与热传导等经典物理过程,使用有限元理论构建体素模型的微单元特性描述,以实现基于体素的多物理属性建模。针对三角网格模型与体素模型的存储、转换与表达,设计其数据结构及转换算法。最后,以多材料零件的三角网格模型体素化转换及体素模型的材料颜色属性建模为主题,在Windows环境下利用OpenCASCADE几何造型内核和MFC应用程序框架,开发体素建模软件的原型,以验证所提方法的可行性与有效性。