内燃机是工程机械的主要动力装置。随着科学技术的发展，将拓扑优化技术应用于内燃机零部件的设计或改进中，可以有效提高相关零部件的结构特性。本文将连续体结构的拓扑优化方法作为分析内容，通过对基本理论中材料的描述方式、计算模型的实现方法及数值不稳定现象的抑制方法进行探讨，得出了系列有价值的结论。以此理论研究为依据，将拓扑优化设计技术应用到内燃机零部件的改进设计中，从而在改善结构使用特性的同时实现结构的轻量化，为拓扑优化技术在工程实践中的应用提供一定的参考。首先，本文在对比多种材料描述方式优缺点的基础上，选择变密度法中的SIMP插值模型对材料进行描述；应用优化准则算法对该插值模型的优化问题进行求解，从而说明拓扑优化的计算流程；研究了拓扑优化中数值不稳定现象的产生原因及其抑制方法，并通过具体算例确定惩罚因子及最小过滤半径的取值范围，使优化过程更为高效，优化结果更为可靠。其次，将拓扑优化技术应用于内燃机活塞和油底壳的改进设计中，之所以对活塞和油底壳进行结构优化，是为建立两种典型的以实现轻量化为目标的拓扑优化模型：对活塞建立基于应力和位移约束的拓扑优化模型；对油底壳建立基于频率约束的拓扑优化模型。通过对比分析，对两种部件的拓扑优化设计都得到了较为理想的改进效果，提高了其工作性能。验证和体现了拓扑优化技术在内燃机结构件设计中的可行性和应用价值。