针对主轴结构主要由人依据经验进行设计，设计结果与人的经验有很大相关性且不能充分考虑热影响等因素，很难实现智能设计的问题，通过定义主轴结构的几何结构函数，建立主轴结构的强度约束和刚度约束，实现主轴结构的刚强耦合分析，最终建立了主轴结构设计可扩充的数学模型；根据建立的主轴结构数学模型，通过数值求解获得主轴符合刚强耦合要求的主轴外廓形状曲线，然后结合装配要求，利用分段直线拟合的方法，将曲线转化为易加工的直线外廓，从而获得主轴各段的直线外廓，完成基于刚强耦合的主轴结构设计。最后，以一个立式加工中心的主轴结构设计为例，验证了所提方法的正确性和可行性，为主轴结构智能设计提供了基础。