随着社会发展及科技进步,许多学者进行考虑强度的拓扑优化研究工作提升结构的强度性能,试图解决工程结构的强度失效问题。另外,工程结构中的破损安全性问题使得设计结构的鲁棒性受到关注。传统拓扑优化方法以最少的材料设计出高性能结构,该结构由于载荷传递路径单一,在遭受局部破损后极易丧失承载能力。因此,破损安全性最近被一些学者引入到连续体拓扑优化设计中。本文基于双向渐进结构优化法（Bidirectional Evolutionary Structural Optimization,BESO）从应力约束和破损安全性两个角度,开展了考虑服役安全性的拓扑优化研究工作。主要研究内容如下:首先,发展了一种改进的应力约束渐进式拓扑优化设计方法。原设计方法以结构整体柔度最小化为优化目标,以最大应力和材料用量为设计约束;采用P范数凝聚的全局应力测度来近似表征结构最大应力,通过拉格朗日乘子法将全局应力测度耦合于优化目标之后以解决此多约束优化问题。本文通过一种高效、通用的自适应方案确定拉格朗日乘子,以替代原始寻找拉格朗日乘子的经验式方案,用于提高方法的普适性及优化效率。通过一系列数值算例验证了该方法的可靠性,结果表明,相比于原始方法,本文方法能够得到性能更佳的设计结果,且在优化效率上得到了极大的提高。其次,发展了一种考虑破损-安全的渐进式拓扑优化设计方法。针对以材料用量最小化为优化目标,多种破损结构的节点位移为约束的优化问题,该方法采用P范数凝聚的位移测度近似所有破损状况下的结构最大位移,推导了优化问题灵敏度的解析计算格式并确定了每步迭代步的目标体积分数更新机制。通过一系列典型数值算例验证了该设计方法的有效性,同时与相关文献中的设计结果进行了比较与讨论。结果表明,本文方法所设计的结构在局部破损后仍然能保持较好的承载能力。最后,基于传统BESO方法和上述改进的应力约束方法,搭建了ANSYS-MATLAB渐进式拓扑优化设计平台。MATLAB与ANSYS分别完成优化计算与模型分析过程,两款软件平台间通过参数化语言自动实现优化的参数传递与交互。利用该拓扑优化平台,对多工况下的航空发动机典型支架进行刚度优化和应力约束优化,基于考虑应力约束优化所得的设计构型运用基本CAD体素进行模型重构。结果表明,相比于原始支架模型,运用本文应力约束方法实现了支架的轻量化设计,且刚度和强度性能均得到显著提升。