结构优化设计经历了截面尺寸优化、几何形状优化两个阶段,近年来随着计算技术以及人工智能技术的发展,结构拓扑优化设计正在成为这一领域的研究热点.虽然优化设计和有限元分析各自形成了完整、成熟的理论体系,但由于目前在结构形状优化过程中普遍采用边界节点控制方法,使得形状寻优方案在有限集合内进行,这不仅没有充分发挥优化搜索方法的效率,而且从某种程度上讲,所得结果不一定是最佳结构.该文针对结构件的拓扑优化设计的研究,主要内容包括:结构件优化设计过程是在负载条件下对结构进行改进的过程,该文以初始结构的应力流作为结构优化的控制函数,通过几何描述和拓扑描述的分离,有效地将图形处理和有限元网格模型相结合,采用删除低应力区域结构的基本策略,实现结构的拓扑生成,为结构优化设计作了有益的尝试,这主要表现在:(1)采用应力流控制结构变异的过程,是结构材料承载应力均化的自适应过程,它以结构重量最轻为目的,不仅可以改变模型的几何信息,而且能够改变模型的拓扑信息,易于实现结构的突变;(2)采用单元的删除和局部单元修正方式,易于算法的计算机实现,加权图的方式有效地解决了结构分析中的多因素问题;(3)该方法不要求初始方案在最优设计区域附近,大大降低了使用这一方法的难度.根据边界元方法的特点,提出以边界模型描述实现形状优化的基本思路,并将边界元分析方法与结构的几何形状优化设计相结合,从而达到描述结构边界形状和在寻优过程中方便地实施边界变化控制的目的.以车、磨床中常用的简式隔板床身作为支承大件的分析对象,以钢板的焊接结构为原型,通过对垂直隔板布局的床身动态特性分析,阐述了有限元模型对结构分析的影响,讨论了床身导轨、墙板以及隔板截面尺寸等几何参数与结构静动态特性的关系.机床零部件的结构布局和尺寸影响着动态特性,正确定义有限元模型是分析的前提;床身导轨的几何尺寸不仅对机床运动精度、导向精度有影响,而且关系着床身的动态特性,适当调整导轨的截面尺寸,可以在一定范围内调整床身的固有频率;床身的厚度与床身固有振型频率成正比,在保证动态特性的条件下,减少厚度可以大大地降低床身重量.结构件的约束形式与其动态特性有着密切关系,探讨机床结构件如底座、立柱、床身、横梁、主轴箱、变速箱等的坚固螺钉排由形式对其动态特性的影响,对于提高机床产品质量,保证机床的动态加工精度具有重要意义.论文针对机械结构件中的筋板特征,提出了以梁模型表示的筋板结构力学模型,为筋板结构件的几何形状优化设计创造了条件.作为动力设计的基础,就筋板结构对结构件的静动态特性影响作了初步分析,并以具体的机床产品中的大件结构为对象,阐述了筋板结构对其静动态性能的影响.