结构轻量化设计可以有效节约资源,而拓扑优化方法是实现轻量化设计的一种重要技术手段。相对于传统的宏观结构拓扑优化,结构与材料一体化拓扑优化设计可以使结构与材料达到完美匹配,从而进一步提高结构的性能。然而在结构/材料一体化设计过程中,产生的微结构材料往往是各向异性的。考虑材料的方向性布置,将会进一步改善材料的利用率,提高结构的性能。以此为背景,本文基于双向渐进结构优化(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization,BESO)法,提出一种考虑材料方向的结构/材料一体化拓扑优化设计方法。首先,在深入分析以往研究成果的基础上,提出一种混合应力应变法(Hybrid stress and strain method),确定材料的最优方向,并证明最优解的唯一性。克服基于应力方法和基于应变方法存在“重复全局最小值”而无法确定材料唯一方向的缺点。在结构拓扑和材料方向一体化设计中,通过与基于应力方法、基于应变方法、能量法等方法对比,验证所提出混合应力应变法的有效性。其次,针对结构刚度最大化问题,将材料方向优化引入到结构/材料一体化拓扑优化设计中,提出一种考虑材料方向的结构/材料一体化拓扑优化设计方法。材料最优方向通过结合提出的混合应力应变法和主应力法来确定,既能提高计算效率,又能避免出现“重复全局最优解”,同时,基于BESO拓扑优化方法,通过分别约束宏观结构和材料微结构两个尺度上材料体积分数,实现结构拓扑、材料微结构拓扑和材料方向一体化设计,使结构的刚度得到进一步提升。最后,将宏、微观材料体积分数两个约束改为一个整体结构质量分数约束,通过对宏微观灵敏度归一化处理,实现两尺度上“材料”的自动分配,改进前面结构拓扑、材料微结构拓扑和材料方向一体化优化设计方法;在此基础上,将此改进的一体化设计方法应用于结构动态设计问题,揭示最优宏观结构拓扑、材料方向布置与材料微观结构拓扑特征的同时,进一步提高结构基频。