本发明提出了一种空心阶梯轴内径结构的多目标优化设计方法，包括如下操作步骤：步骤1、建立空心阶梯轴的有限元模型；步骤2、建立以质量、极限应力、扭转角度、一阶临界转速为子目标，以空心阶梯轴的内径为设计变量，以材料的许用应力、抗扭转刚度、最大工作转速为约束的多目标优化模型；步骤3、估算内径的尺寸范围，基于响应面方法，确定样本数据采样方案；步骤4、基于采样方案，依次进行四个子目标的有限元模拟；步骤5、将四个子目标的响应面方程进行无量纲化，并转化子目标函数的优化方向；步骤6、构建全局优化目标函数，采用标准粒子群算法对全局目标进行寻优。本发明将空心阶梯轴的轻量化设计由多目标转化为单目标，实现了多目标协同优化。