当前,为充分发挥结构拓扑优化极高的设计自由度与增材制造极高的成型自由度优势,开展面向增材制造的结构拓扑优化研究已成为结构优化领域的研究热点。但是由于增材制造中存在一系列工艺约束,如通过设置悬垂角度约束来避免结构悬空区域会引入额外支撑结构的问题,制造设备会存在最小特征尺寸约束等,在拓扑优化中考虑上述增材制造约工艺约束显得很有必要。同时,结构打印成型方向不同,结构打印件性能也会发生变化,考虑成型方向对拓扑优化结构性能的影响也具有重要的研究意义。此外,为提高结构防腐蚀性能,结构增材制造成型后常常会通过电镀、喷涂等工艺对结构进行表面处理,因此开展增材制造工艺约束下涂层结构拓扑优化显得很有必要。针对上述三方面问题,本文分别开展了考虑最小特征尺寸和悬垂角度约束的自支撑结构拓扑优化、考虑成型方向的自支撑结构拓扑优化以及涂层自支撑结构拓扑优化方法研究。主要工作如下:首先,提出了一种变半径过滤投影方法。实现了结构最小特征尺寸的有效控制。该方法结合传统过滤方法与Heaviside函数,通过设定不同的过滤半径,分别使用Heaviside函数与改进的Heaviside函数控制结构中的最小杆件和最小孔洞尺寸,再通过单元密度梯度权值函数控制,弱化结构边界过滤效果,得到较大过滤半径下较好的过滤效果和清晰的结构边界,从而实现满足最小特征尺寸增材制造工艺约束的拓扑优化结构。该方法通过建立基于SIMP法的拓扑优化模型,结合数值算例分析,验证了所提出变半径过滤投影方法的合理性和有效性。然后,提出了一种基于最小单值段同化核算子的结构悬垂角度约束描述方法,结合SIMP法,实现了自支撑结构拓扑优化设计。该方法主采用图像学中最小单值段同化核算子识别结构边界轮廓,采用梯度矢量表示边界密度梯度变化,通过梯度矢量与成型方向夹角描述悬垂角度约束;结合SIMP法,建立了考虑悬垂角度约束的自支撑结构拓扑优化模型,通过数值算例分析,验证了所提出方法的合理性和有效性。接着,提出一种考虑最优成型方向的自支撑结构拓扑优化设计方法。该方法通过对传统拓扑优化结构边界进行识别,获取最优成型方向,并建立基于该成型方向的自支撑结构拓扑优化模型,通过数值算例分析,验证了所提出方法的合理性和有效性。最后,提出了涂层自支撑结构拓扑优化方法。针对增材制造后结构表面易腐蚀,影响结构性能等问题,通过空间密度梯度识别结构表面层,并利用过滤投影方法分离表面涂层和基体,将结构等效为表面涂层和基体结构,建立了具有表面涂层结构的自支撑拓扑优化模型,通过数值算例分析验证了所提出方法的合理性和有效性。