在航空航天、汽车工业、集成电路等制造业领域中,设备结构的热防护问题一直是学者们广泛探讨的热点。传统基于经验的结构设计方法已经不能满足实际工程的需求,拓扑优化技术的发展,为工程热防护结构的设计开辟了一条新的途径。本文基于变密度法研究热传导结构拓扑优化设计,从宏观和微观两个尺度出发,分别开展了宏观散热结构和热传导微结构拓扑优化设计。在此基础上,深入研究具有热传导性能的多孔结构,实现了热传导结构宏微观多尺度拓扑优化设计。主要工作如下:首先,针对变密度法中经常出现的灰度单元,提出了一种新的过滤方法,并应用于宏观散热结构的拓扑优化设计。该方法是在传统优化准则法中引入敏度过滤和灰度过滤相结合的过滤机制,有效抑制了优化过程中灰度单元的产生。同时,将预处理共轭梯度法引入到三维散热结构的优化设计中,极大的提高了优化效率。通过二维和三维的算例分析,对所提出方法的有效性进行了验证。其次,针对多孔结构的可设计性,基于均匀化方法,对微观尺度下的热传导微结构拓扑优化设计进行了研究,提出了一种以等效热传导系数的加权组合为目标的优化模型,利用改进的优化准则法进行了优化求解,并采用上述过滤方法抑制了灰度单元的产生。通过四个典型算例对比分析了所提出模型和方法的有效性和合理性。最后,针对上述宏观结构拓扑优化设计和微结构拓扑优化设计,研究了热传导结构多尺度拓扑优化设计,提出了一种基于热传导结构的宏观和微观多尺度并行优化设计方法,利用改进的优化准则法进行了优化模型的求解,通过算例实现了热传导结构多尺度拓扑优化设计,为实际工程应用中的散热研究提供了重要的指导意义。