随着全球汽车产量和保有量的持续增长，能源短缺和环境污染等问题日益严峻，轻型节能环保汽车的研发已经成为当今汽车工业发展的趋势。因此，在保证安全使用性能的前提下，对汽车进行轻量化设计具有重要的理论和实际意义。在汽车轻量化的方法与途径中，资金和技术严重制约着新材料和新制造工艺的应用，对结构进行改进设计成为轻量化应用最广泛的方法。本文针对汽车轻量化设计中的结构优化设计问题，对结构优化设计理论与方法，特别是结构拓扑优化设计做了进一步的研究，提出了基于结构拓扑优化设计的汽车轻量化设计方案，并采用有限元分析的方法，借助有限元分析软件ANSYS WorkBench对某重型商用车平衡轴支架进行了结构轻量化设计研究。在课题的研究过程中，主要进行了以下的工作：首先，对平衡轴支架在平衡悬架的作用以及实际工作情况进行分析，确定了其在各种工况下的受力情况，建立平衡轴支架的三维实体模型和有限元模型，模拟平衡轴支架在各种工况下的受力，对平衡轴支架进行了静态和动态特性的有限元分析，并对其结构整体性能进行分析评价。其次，建立平衡轴支架初始结构的有限元模型，基于变密度法的结构拓扑优化方法，运用ANSYS Workbench中的Shape Optimization模块进行结构拓扑优化分析，根据拓扑分析结果，对平衡轴支架进行结构轻量化优化设计。在保证与原平衡轴支架施加相同载荷和约束条件下，对优化后的平衡轴支架进行有限元分析，并对比优化前、后的平衡轴支架的性能。结果显示：优化后的平衡轴支架在满足强度、刚度以及振动特性的基础上，实现了15.4%的减重，在轻量化方面取得了较好的效果。