当前工业界对于结构散热性能有极高的需求,点阵结构、翅片结构等包含大量细密尺寸特征的构型形式,具有轻质、比刚度高、表面积大等特点,常应用于散热、承载结构的轻量化设计。结构拓扑优化是设计此类构型的有效手段,经优化获得的构型因其复杂的拓扑构造采用传统机械加工方式难以制造。近年来增材制造技术的快速发展为加工此类结构提供了有效途径。本文提出一种基于子结构凝聚理论的多层级拓扑优化方法,用于设计面向增材制造、包含细密几何特征的结构。该方法将高层级整体结构划分为若干低层级子结构。其中,高层级结构通过变密度拓扑优化方法获得结构构型;低层级构型以结构几何参数描述,采用静态凝聚法实现内部结点自由度凝聚,通过对结构几何参数寻优实现低层级变拓扑的优化设计。通过研究子结构凝聚保留结点数目对仿真及优化结果的影响,得出保留较少数目结点可正确仿真物理场变化趋势,仿真精度随结点数目增加提升。通过承载梁最小柔度设计验证所提方法的有效性,将此方法用于不同散热结构局部热源冷却优化设计,优化结果表明所提方法可提升结构拓扑优化寻优能力。在此基础上研究对流换热作用对结构散热性能的影响,针对当前工业界应用的对流散热结构变密度拓扑优化模型中存在材料设计域边界附着问题,研究基于密度梯度插值对流换热系数建模方法中对流参数对于优化结果构型和目标函数的影响。提出一种顶底型向侧向型对流连续过渡方法消除材料设计域边界附着现象:该方法通过控制对流权重系数,在优化迭代过程中将对流类型由顶底类型逐渐过渡至侧向边界类型,避免均匀初始设计边界处密度梯度过大导致材料向设计域边界处聚集。此外,研究连续过渡方法中主要控制参数对优化构型及目标函数的影响,为该方法后续应用提供指导思路。通过平面对流热源冷却算例验证所提方法的有效性。