本文根据商品级小型四旋翼无人机的性能参数建立了初始设计域的有限元模型,建立了基于小型四旋翼无人机飞行原理的工况。以质量分数及相对满设计域的柔度变化率为响应,建立目标函数对平飞及上升两种工况下的无人机机架柔度进行评价,利用结构优化平台Optistruct分别对不同优化目标下的壳架一体、壳架独立模型进行了优化,得到了多约束下满足典型工况的最优拓扑结构。在对优化结果关键结构特征的确定上,本文通过对优化约束的梯度调整分别进行了基于柔度函数约束的优化过程演化和基于质量分数约束的优化过程演化,得到了基于该方法的小型四旋翼机架的关键结构特征,对两种初始设计域结构得到的优化结果进行了对比分析。对拓扑优化的网格结果进行了几何重构,通过有限元软件对优化前后的模型进行了惯性释放分析和振动特性分析,得到了多工况下壳架一体、壳架独立模型的应力、位移、固有频率结果。讨论了该优化方法对初始设计域的优化效果及优化前后的结构特征变化,并对其可靠性进行了验证。为基于既定风动外形的小型四旋翼无人机机架的优化设计提供了一种可行的思路。