3D打印技术与传统减材制造不同,采用逐层堆叠的方式加工结构,可实现复杂结构的自由制造,在航天、军工、医疗等领域应用前景广阔。但3D打印技术特别是金属3D打印技术涉及金属粉末复杂的熔-固过程,在打印成型过程中形成的残余应力,容易导致成型零件产生翘曲变形甚至裂纹缺陷。本文尝试在结构设计阶段,综合考虑3D打印残余应力及设计性能,研究面向金属3D打印的结构拓扑优化方法,以期促进复杂结构设计-3D打印制造一体化的发展。基于浮动映射拓扑优化（Floating Projection Topology Optimization,FPTO）方法,以Mises应力水平最小化为目标,采用应力凝聚函数解决应力局部化问题,采用应力松弛技术克服应力奇异现象,实现结构应力最小化拓扑设计,并比较结构平均柔度优化结果,验证应力优化的有效性。将金属3D打印成型过程看作逐层的热弹性过程,基于固有应变理论,研究快速预测金属3D打印部件残余应力和变形的方法。基于有限元及生死单元技术,施加等效固有应变载荷,模拟3D打印成型过程;通过对比有限元数值模拟残余变形与3D打印试验,获取等效的固有应变值;在此基础上,研究3D打印残余应力分布特点。基于FPTO方法,推导金属3D打印残余应力的单元灵敏度,开展金属3D打印残余应力和结构柔度最小化的多目标拓扑优化设计研究,实现结构拓扑优化设计与3D打印制造一体化设计,进一步提高金属3D打印部件的综合性能。