拓扑优化作为一种科学、高效的计算工具,能够在给定设计空间内寻找到满足约束的、目标性能最优的结构拓扑构型,是结构轻量化设计的最有力的方法,在航天器结构设计中具有广阔的应用前景。然而,传统的结构拓扑优化设计已无法满足现代工业产品对“形状拓扑一体化”、“CAD/CAE集成化”与“拓扑描述参数化”的需求。如何对结构拓扑进行合理描述,使之能够实现与CAD的集成,提高优化效率,便捷地控制几何特征,并解决具有挑战性的结构优化问题,已成为当前结构拓扑优化领域的热点。本文以移动可变形空腔算法为切入点,对当前拓扑优化领域的新方法——“特征映射拓扑优化方法”开展研究。首先研究了参数化几何特征映射的拓扑描述方法,构建了基于移动可变形空腔的拓扑优化方法。其次深入研究了建模特性,着力提高优化效率并避免参数初始依赖性。最后将方法拓展到等几何分析与几何非线性问题中。论文的主要工作如下:（1）从结构拓扑的描述方法出发,采用高层次的几何参数化方法,开展结构拓扑的描述与建模,实现了边界的显式化清晰描述,探讨了空腔的几何描述能力。构造了移动可变形空腔拓扑优化的列式并推导了解析灵敏度。使用移动可变形空腔对包括卫星支撑腿在内的结构开展了结构优化。针对优化结果存在的边界不光滑现象,还提出了光滑后处理方法。（2）对移动可变形空腔算法进行改进,使之更加稳定可靠,快速高效,优化机制更加科学合理。分析了灵敏度求解的相互独立性,并利用显式方法对边界移动特性进行控制。引入了多分辨率有限元,充分利用拓扑描述与分析网格解耦的特性,对分析网格进行细分获得材料网格,使用细分的材料网格感知材料分布,使用较为粗糙的分析网格进行有限元分析。使用快速行进法计算显式化边界的邻域,限制拓扑描述函数值及灵敏度计算的范围,提高了计算效率。设计了一种适用于移动可变形空腔优化框架的空腔自动引入机制,基于双向渐进结构优化原理计算引入空腔的最佳位置,并基于水平集方法推导了空腔引入的最佳时机。（3）为了实现设计模型和计算模型的统一,保证几何信息完整性,将移动空腔法的研究进一步拓展到了等几何分析。在此框架下进一步发展了多分辨率的等几何分析方法,建立了基于Greville配点的人工材料模型,对材料的杨氏模量和密度场进行插值。采用细分的等几何网格构造材料分布场以提高精度,而采用粗糙网格进行等几何分析以减少运算量。数值算例表明,移动可变形空腔法被成功地拓展到等几何分析中,多分辨率等几何分析可以用较低的计算成本获得高分辨率的设计。（4）采用移动可变形空腔方法对几何非线性拓扑优化问题开展了研究,建立了该框架下的非线性拓扑优化问题列式,并推导了结构响应的灵敏度。采用空腔建模的方式,对设计域内的无效单元进行删除,避免低密度元引起的收敛问题。进一步地,为了增强了优化过程的稳定性,继续采用边界移动控制技术,使迭代的成功率得到了保证。对末端柔性结构和柔顺机构分别展开设计,并分析在几何非线性下的结构特征。（5）采用多输出柔顺机构模型,对一款“柔性机械抓手”展开了优化设计,并采用3D打印获得该机构实物,然后开展多场景实物抓取实验。实验表明结构在位移驱动下的变形与非线性计算结果吻合,优化设计结果兼顾了较好的形变能力与足够的刚度,使结构能够很好地实现对物体的抓取。综上,本文以移动可变形空腔算法为研究对象,对特征映射拓扑优化方法开展了深入研究。阐述了科学合理的拓扑描述与建模方法,提出了通用化的特征映射算法改进策略,并向结构优化的热点与难点领域做了积极探索。本文进一步丰富和发展了拓扑优化方法体系,对于推动和提升拓扑优化方法的设计能力与应用水平,具有较大的理论意义与实用价值。