数控机床广泛应用于国防、航空航天和国民经济各部门，是自动化加工最基本的装备，也关系到国家的安全和工业生产能否健康地增长。我国数控机床的设计水平和产品性能与国外相比还有一定差距。利用虚拟样机技术对机床进行设计、分析及优化，可减少物理样机的反复试制、测试及改进过程，提高了产品的性能，缩短了设计周期，降低了设计成本，对增强企业竞争力具有重要的意义。 有限元方法是现代工程分析与设计的一种快捷、有效的辅助工具。本文以数控铣床为研究对象，利用有限元分析软件CosmosWorks作为分析工具，对组成铣床的主要零部件进行分析，并对其结构进行优化设计。主要工作如下： (1)分析讨论了高速数控铣床的设计要求，依据加工工艺和机床性能指标，提出了动梁龙门数控铣床的总体设计方案，设计了机床的主传动系统和伺服进给传动系统。 (2)按照模块化设计原则主要对影响机床性能的主要部件：龙门式横梁、立柱、床身的设计和性能要求进行分析，初步确定了机床的零部件结构，建立了部件的三维SolidWorks实体模型，形成了数字化样机部件。 3)在对数控铣床主要零部件横梁、立柱，床身及整机结构分析设计的基础上，建立零部件三维有限元分析模型，进行了静力学分析，直观展示了结构的应力场和位移场，分析了结构的强度和刚度。 (4)对横梁、立柱、床身及整机三维结构进行了模态分析，获得了铣床关键部件和整机的模态参数(固有频率和振型)。通过静态分析与模态分析为结构优化设计打下了基础。 (5)在有限元分析软件平台上，利用基于元结构和框架尺寸优化的理论，研究了如何构造出动态特性优良的数控机床部件。通过基于元结构和框架尺寸优化的方法，成功地对数控机床床身和龙门式立柱进行动态优化设计，改善了床身结构及整机的动态性能。验证了基于元结构和框架尺寸优化的机床构件动态设计及大件结构创成的可行性。