数控机床是高端装备制造业的“工作母机”,是制造业和国民经济的重要基础,是一个国家制造技术发展水平和制造业现代化程度的重要体现。传统的经验及类比设计方法已经越来越不能满足日趋增长的机床性能以及日趋提高的机床动、静态刚度及成本、外形等方面的要求,因此,在机床结构设计中引入有限元分析技术和更加精细、准确的尺寸优化和拓扑优化等结构优化设计方法显得尤为重要。本文以XK2423数控龙门铣床为研究对象,以有限元技术为基础,利用有限元软件HyperWorks建立横梁、立柱及整机的力学模型,并对其进行动静态特性分析,然后将分析结果与机床的性能要求进行对比,找出薄弱环节,并在此基础上对立柱和横梁进行结构优化设计,缩短了产品开发周期,降低了成本,提高了机床的综合性能。本文结合XK2423数控龙门铣床关键零部件及整机的结构设计及优化问题,主要完成了以下工作：①构建了XK2423数控龙门铣床横梁、立柱及整机的三维模型,并在此基础上通过合理简化、等效建立了该机床的有限元模型,为后续的结构分析和优化奠定了基础；②对机床的关键大件一横梁和立柱进行了动静态特性分析,得到了横梁和立柱在实际切削力和重力载荷工况下的变形和应力分布情况,提取了横梁和立柱的前6阶模态,得到了其固有频率和相应振型,为后续的结构优化提供了依据；③利用变密度法对横梁和立柱进行拓扑优化,得到了横梁和立柱结构的最佳材料分布形式,并在此基础上对横梁进行了尺寸优化,得到了横梁结构的最佳尺寸参数组合,对优化后的结构与优化前的结构进行了对比分析。分析结果表明,优化后的横梁在动态刚度不变的情况下,静态刚度提高20%,重量降低7.5%；立柱在质量降低4.5%的情况下,静态刚度提高16%,基频从83.5Hz提高到87.6Hz；④建立了优化后的整机有限元模型,并分析了整机的动静态特性,结果表明设计后的XK2423数控龙门铣床完全满足性能指标要求。本文对XK2423数控铣床结构进行动静态特性分析以及对关键部件进行拓扑优化和尺寸优化的研究应用可为实际工程设计提供有效参考。