随着“制造强国战略”的推进,机械制造朝着绿色、高精和智能化的方向发展,高速、高效及高精度的数控机床也成为我国制造业急需的基础装备。直驱机床采用直线电机和力矩电机驱动,然而,其高速运动容易引起机床振动进而影响工件加工质量,其研发必须突破机床抗振设计这一技术瓶颈。新型矿物质材料具有较低的热导率和良好的抗振性,适合用作数控机床支承件材料;但其强度仅有金属材料的1/3,为了提高机床支承件的轻质性且机床支承件外部尺寸不能有大的改变,因此必须重新设计内部结构及分析和优化整机动静态性能。本文设计了高刚性结构的直驱五轴加工中心,其主要支承件为矿物质材料龙门框架和床身,本文从提高龙门框架和床身的轻质性且符合加工中心的技术标准的角度出发,提出基于拓扑优化和基于响应面分析的加工中心龙门框架和床身结构方案设计方法,并通过动态实验得到了机床非金属支承件的最优结构。全文主要内容包括:（1）对龙门框架和床身进行结构设计并分析,得到实心龙门框架和床身的动静态特性,寻找龙门框架和床身的可优化空间,为后续龙门框架和床身的拓扑优化提供理论基础和思路。（2）使用变密度法对龙门框架和床身进行拓扑优化设计。以优化后的模型结构为基础对龙门框架和床身进行模型重构并做动、静态分析,结果显示在符合加工中心技术要求的基础上,龙门框架和床身分别减重19.47%和16.2%。（3）将龙门框架和床身的关键设计尺寸作为设计变量,进行基于响应面法的多目标尺寸优化,得到龙门框架和床身设计尺寸的最优值。尺寸优化后的龙门框架和床身分别减重24.15%和19.88%。对优化后龙门框架谐响应分析,结果显示,三轴振幅峰值均低于0.03mm,符合企业的技术标准。（4）最后,将优化后的部件整机装配并分析。结果表明,优化后整机的质量在符合技术要求的基础上减少了18.4%,应力值增大了5.9%达到9.9251MPa。此外,加工中心整机一阶模态频率和四阶模态频率分别提高了1.1312Hz和6.02Hz。对机床进行谐响应分析,得到机床加载时的稳态响应。利用LMS设备对床身进行动态测试实验,与有限元分析结果对比,以此来验证优化方法的可行性。