刚架和板壳结构都具有自重轻、造价低和施工简单等特点,在工程中得到了各种形式的应用。为了适应现代靶场技术的发展,大型光机结构,如大型光电经纬仪,其光学系统的主要支撑结构通常采用焊接刚架板壳结构。本文针对采用空心钢管焊接成刚架结构再在外部蒙薄钢板的结构制备方案,结合拓扑优化方法对刚架和壳体耦合结构进行设计。以大型光电经纬仪的转台为例,根据最优拓扑结果进行光电经纬仪转台结构设计。本文的主要工作如下:针对离散拓扑优化方法中的基结构法和连续体拓扑优化方法中的密度法,就两者的产生及研究发展方向、难点及存在的问题进行阐述归纳。针对刚架和壳体结构的有限元分析,分别选取三维欧拉梁单元(3D Euler Beam)和三维壳体单元(Ressner-Mindlin Shell),并通过约束相同空间位置节点自由度的方式模拟焊点。针对工程问题形状复杂、不规则的特点,实现了基于几何及网格在非凸区域生成初始基结构的方法。利用分级生成基结构的方式,直接将已有边界作为碰撞检测的标准避免二次建模,简化了过程并使得杆件识别更加准确。实现了任意多边形设计区域在不同网格类型划分下基结构的分级/全连接方式的构建。基于SIMP法的刚架结构和壳体结构拓扑优化方法:首先利用基结构来描述刚架结构优化问题的离散设计区域,再利用连续体拓扑优化SIMP法求解体积约束下应变能最小的优化问题并获得刚架结构的最优拓扑结构,并通过控制节点个数避免了优化结果中出现不必要的短杆从而解决了设计结果难以加工制造的问题。同样可以利用SIMP法求解体积约束下应变能最小的优化问题并获得壳体结构的最优拓扑结构。实际结构中刚架和外部薄钢板结构焊接,刚架和壳体(外部薄钢板)的设计区域可以通过约束节点的方式耦合,在耦合结构的基础上利用SIMP法先求解刚架结构应力约束下应变能最小的优化问题,将所获得的刚架结构拓扑优化结果转换为具体的刚架结构设计方案后,再在此基础上包裹壳体结构,并利用SIMP法先求解耦合结构中壳体结构体积约束下应变能最小的优化问题,从而分别可以得到刚架和壳体耦合结构中刚体和壳体结构拓扑优化结果。最后以1米口径光电经纬仪的主要承载结构转台为例,通过上述拓扑优化方法对其主承力结构进行优化,并根据多工况下的最优拓扑结果进行具体的转台结构设计,最后对设计方案进行验证。结果表明轻量化方案在满足各项指标的同时大幅度减轻了结构重量。