大型箱体是机械设备中常见结构件,采用传统设计方法导致其结构笨重,浪费材料,研究其轻量化设计势在必行。本文以大型箱体结构为研究对象,采用拓扑优化设计理论和方法,分析研究了大型箱体结构的拓扑优化设计方法、拓扑优化模型、拓扑优化程序实现、棋盘格现象和拓扑优化参数选择,完成了两个几何尺寸迥异的箱体结构的拓扑优化设计,得到了有指导价值的新型箱体结构,为大型箱体结构的系列化设计提供了设计参考。本文主要研究过程和结果如下：1、分析常用的各种大型箱体结构,提取了其结构特征,并通过分析各种拓扑优化方法的特点,选择了符合大型箱体结构特征的变密度法。2、以变密度法为基础,分别分析了体积约束、应力约束和位移约束情况下大型箱体结构的拓扑优化数学模型,进行了灵敏度分析,并针对结构载荷位置不确定情况,采用权值法思想构建了大型箱体结构的多工况拓扑优化数学模型。3、研究了基于MATLAB语言和基于C++程序编写的拓扑优化程序,大型箱体结构有限元分析采用8节点六面体单元,设计变量更新采用较为适合的MMA算法和OC准则法,分析和测试了可计算大规模节点自由度的基于PETSc的并行运算拓扑优化程序,并用于大型箱体结构的拓扑优化设计。4、使用模型实例分析了拓扑优化中的棋盘格现象,引入了密度过滤、灵敏度过滤和灰度过滤方法,采用多次计算对比结构特征,消除了棋盘格现象。采用实例验证方法,选择了适合大型箱体结构拓扑优化的惩罚因子值和过滤半径值。5、针对两种几何外形尺寸的大型箱体结构,在单工况和多工况条件下,采用不同拓扑优化程序,考虑不同过滤方法和设计变量更新算法,完成了两种大型箱体结构的拓扑优化设计,得到了结构特征相同的优化结果,分析对比两模型实例的结构特征为大型箱体结构系列化设计提供了参考。本文研究对大型箱体结构的创新设计、研发和系列化具有一定的参考价值。