随着资源竞争的加剧，工程设计界对结构的综合性能要求和轻量化设计提出了更加迫切的需求。因此，由性质不同的材料组成的多功能结构和纤维增强复合材料结构引起了人们的广泛关注。近年来，国内外许多研究人员对这些结构进行了优化设计研究，但是大都基于隐式的拓扑优化方法，还存在一些问题，例如设计变量太多、灰度单元等。本文基于一种新兴的显示拓扑优化方法—可移动变形组件法(MMC: Moving Morphable Components)展开研究，提出了多材料结构拓扑优化新方法，还对组件的相交面积进行了约束控制，建立了纤维增强复合材料结构一体化优化模型。具体内容及研究成果如下：　　(1)基于 MMC框架的多材料结构拓扑优化研究。由于传统的多材料拓扑优化方法都是基于隐式的框架，其中对于每种类型的材料，必须引入定义在整个设计域上的相应的密度场或水平集函数来描述其结构分布，所以这将不可避免地引入大量的设计变量，对于三维问题，维数灾难尤其严重。本文基于 MMC框架提出的多材料拓扑优化方法，用不同性质的组件代表不同材料的布局，可以以更少的设计变量和自由度数来处理多材料结构拓扑优化问题，而且不需要引入复杂的材料插值格式。本文随后列出的几个数值算例展示了此方法的有效性和优势。　　(2)组件相交面积控制方法研究。对于一些涂层结构或内部包含微结构的组件，要求各组件之间保持相互独立。本文设计了一种夹心组件模型，其夹心和外边框采用不同的材料。在计算时，通过约束各个组件的夹心和其它组件的任意部分的相交面积为零来保证其夹心结构的材料性质不变。此约束形式可以按照问题要求而做相应改变。在随后的纤维增强复合材料结构优化当中，此夹心组件模型也得到了成功应用。　　(3)纤维增强复合材料结构的缠绕参数优化研究。本文首次将MMC方法和纤维缠绕成型技术相结合，对二维连续体结构柔度最小化问题进行了优化设计。在优化过程中，将纤维缠绕角和描述组件的参数同时作为设计变量，并采用经典层合板理论对结构的刚度进行了详细推导。此外，还通过控制组件的相交面积来避免一个组件被多个组件切割的情况，以此来保证其纤维缠绕角变化的连续和完整。此方法不存在例如灰度单元处的纤维角度选择不明晰、相邻单元角度变化不连续等问题，也不需要后处理工作来提取结构边界，对于工程应用更具有指导意义。本文中大量的数值算例也验证了该方法可行。