为适应提升装备制造业自主创新能力的发展需要，同时加强新的设计方法和设计理论在大型数控机床结构设计上的应用，本文基于结构仿生、拓扑优化以及尺寸优化设计方法，对4m数控立式车床的关键零件回转工作台进行了以提高结构刚度、减轻其质量为目标的优化设计研究；并将结构仿生与拓扑优化相结合，为得到机床零件更加合理的结构形态，提供了一个新的思路。本文主要完成了以下几个方面的内容：(1)概述大型数控机床在装备制造业中的重要性，系统性地综述了有限元分析、结构仿生、拓扑优化以及尺寸优化方法在机床结构优化设计中的发展现状，阐明了本文的主要研究内容和意义。(2)根据4m数控立式车床的设计要求，对其回转工作台部件进行常规设计。选择回转工作台部件的支撑方式及控制方案；同时，详细设计其机械结构，绘制图纸。并对按常规设计方法设计的回转工作台运用ANSYS Workbench进行有限元分析，为回转工作台优化设计研究工作奠定基础。(3)根据结构仿生设计方法，对回转工作台进行优化目标需求分析，寻找仿生原型；基于睡莲科植物王莲的优良承力性能，使用模糊相似分析方法对王莲与回转工作台进行相似度计算，并确定王莲为回转工作台的仿生原型。提取王莲叶脉结构的构型规律，构建回转工作台的两种仿生优化模型，并进行静力学分析，验证其合理性；依据分析结果，确定其中优化效果较为显著的为仿生型回转工作台。(4)基于仿生型回转工作台的建模思路，采用拓扑优化变密度法分别以应变能最小和体积最小为目标，对回转工作台进行拓扑优化设计，提取体现回转工作台载荷传递路径的“支撑骨架”结构，进一步优化回转工作台的结构形态，建立拓扑型回转工作台。并将原型回转工作台、仿生型回转工作台与其进行分析对比，验证优化效果。(5)利用APDL语言编写命令流文件，在保持拓扑型回转工作台结构形态不变的情况下，对其进行参数化建模。并基于零阶优化方法，对拓扑型回转工作台关键尺寸进行优化，从而得出最佳的尺寸组合；同时综合考虑加工工艺性及使用、安装等因素，最终确定了可用于实际生产的综合优化型回转工作台。经有限元分析对比，综合优化型回转工作台在提高结构刚度及减轻质量方面取得了明显的优化效果。通过优化设计研究，实现了回转工作台从结构形态布局到尺寸取值的优化设计，达到了提高结构刚度并减轻质量的优化目标，为回转类工作台的优化设计提供了一个可行的方法；此外，结构仿生结合拓扑优化确定结构形态，再通过尺寸优化确定结构最佳尺寸这一设计思路，也为其他机床结构的优化设计提供了有益参考。