质子治疗装置是国际上新型治愈肿瘤的大型医疗设备，其中的旋转机架（Gantry）具有结构大、精度高的特点。上海质子治疗示范装置是国内首次对质子治疗技术的全面自主研发，其中新型的旋转机架是具有180度回转角度，旋转半径5.4m，重达162t的大型精密机械结构。作为首台国内自主研发的旋转机架，其瞄准目前国际上正在积极研发的新型半回转的结构，设计主体结构与指标参数与国际接轨，具有空间大、重量轻、性价比高等特点。但由于参考资料匮乏、等中心精度要求极高、配套建筑设计复杂，同时又必须具备高性价比以适应市场竞争，所以其设计难度极高。本文先介绍了质子治疗技术的概况，然后较系统的介绍了目前国际上旋转机架的发展以及试研时期的一些计算与分析。本文的目的：为保证旋转机架的结构具有高性价比，必须在保证精度的情况下进行结构优化以大幅减轻整体重量，从而达到质优价廉。采用的方法：采用物理优化、经验设计优化、拓扑优化与尺寸优化的多种方法综合运用。运用的主要结构优化设计的理论基础：拓扑优化ESO有限元法，尺寸优化中的遗传算法与序列二次规划算法以及试验设计方法与响应面技术。运用的软件与计算过程：综合采用Solidworks、ANSYS、Optimus软件分别进行主要零件结构的拓扑与尺寸优化，文章重点阐述其主要优化过程并对结构进行验算。优化的结果：通过对多个主要部件的优化设计和计算使得优化后的旋转机架重量从240t降至162t，仍然能达到等中心精度要求。这是结构优化设计方法首次在旋转机架设计的应用，起到了非常好的效果，也将结果运用到后续的实际生产制造过程中，是非常具有意义的研究工作。