大型锻造操作机是万吨锻造压机的重要配套设备,也是国家经济建设急需的重大机械装备之一。大型锻造操作机与加工设备协调作业,可以极大地提高大型锻件的制造能力,提高制造精度、生产效率和材料利用率,降低能耗。掌握大型锻造操作机的核心设计制造技术,是目前我国重型机械制造行业的重要任务。大型锻造操作机工作载荷大、惯量大、自由度多、具有复杂的机械结构形式、运动学和动力学特性,设计难度很大。本文结合国家自然科学基金项目和企业攻关课题,对大型锻造操作机的机构原理、机构形式的选择、主要工作系统的运动学和动力学特性分析等关键设计问题进行了研究,建立了大型锻造操作机的虚拟样机模型,进行了动力学仿真和机构优化设计,力求设计出综合性能好且适合我国国情的大型锻造操作机,具有重要的理论意义和工程价值。论文在综述大型锻造操作机研究现状基础上,提出了大型锻造操作机设计中的关键问题。对平行连杆式和摆动杠杆式两种典型形式的锻造操作机进行机构运动学对比分析,给出详细的工作空间和运动范围。根据基本运动功能的要求,讨论了两种机构的结构形式和结构参数的合理性,结合操作机的技术要求比较了该两种机构方案的优劣,最终选定平行连杆式锻造操作机为合理的机构形式。对平行连杆式锻造操作机进行初步设计,进行整机机械结构的三维实体建模。然后进行虚拟装配,并进行约束和干涉的检查,得到合理的操作机三维装配模型。建立了锻造操作机的虚拟样机模型。设置合理的运动约束和驱动,对锻造操作机进行运动学仿真,得到不同工况下的锻造操作机的工作空间范围。根据实际工作需求,设置合理的工作载荷条件,对锻造操作机的上下平移和上下摆动两种典型的运动形式进行了动力学仿真,分析了这两种运动工况下的机构刚体系统动力学特性。根据锻造操作机的臂架系统的构件刚性小,对整机的动态性能影响大的特点。将后推臂与钳杆之间的连接件进行柔性化处理,建立了锻造操作机的刚柔混合模型。在刚柔混合模型基础上进行典型运动的动力学仿真,并将仿真结果与刚性仿真结果进行了对比。刚柔混合模型能够更好的模拟操作机的工作性能。在锻造操作机设计过程中,掌握关键零部件的固有动特性对整机系统十分重要。利用有限元对主要零部件进行模态参数计算,对锻造操作机整机结构系统进行模态匹配分析。得到锻造操作机的模态匹配图。钳口夹紧机构是锻造操作机的主要机构之一,钳口夹紧力的计算和夹紧机构的设计对操作机的整体设计是十分重要的。论文介绍了大型锻造操作机的结构和工作原理,论述了钳口夹紧力的计算方法,以保证钳口夹紧力要求条件下夹紧缸作用力最小为优化目标,建立了夹紧机构优化设计的数学模型,采用遗传算法对钳口夹紧机构参数进行了优化设计,显著减小了夹紧缸推力。论文将现代设计理论和方法应用于大型锻造操作机的设计,对大型锻造操作机功能设计和机构选型研究、刚柔体混合建模及虚拟样机仿真、关键零部件模态匹配分析及钳口夹紧机构优化设计的研究,已在新一代大型锻造操作机系统的开发工作中得到应用,为大型锻造操作机的设计提供了依据。