大型锻件是重大技术装备的关键零部件,其制造水平是一个国家综合国力的集中体现。大型锻件的制造取决于重载制造装备的能力与水平,包括以锻造压机为代表的加工装备和以锻造操作机为代表的操作装备,其中操作机是实现锻造机械化和自动化的重要基础设备。虽然我国已拥有了万吨级压机的独立设计和制造能力,而与之配套的大型操作机却只能依赖国外的设计技术。重载操作装备的落后严重制约了我国大型锻件的制造能力和生产效率。因此,大力开展锻造操作机基础科学和关键技术的研究,对提升我国大型装备的制造水平意义重大。本文紧密围绕重载操作机的功能要求以及工作的安全性,对其进行了运动学、静力学和动力学建模分析,并以此为基础完成了相关的性能优化设计,为操作机的设计提供理论指导和技术支撑。主要研究工作如下：(1)操作机在夹持锻件进行锻打作业的过程中,夹钳将承受巨大而复杂的冲击荷载。针对一种常见的锻压工况——操作机夹持长棒料进行精加工,对其动力学模型做出了改进和完善,着重考虑了锻件的塑性变形对锻造系统动力学性能的影响,并对系统进行了单自由度等效。通过与商业软件LSDYNA的计算结果以及前人工作的比对,验证了本文模型的实用性。研究结果显示了准确建模锻压接触边界条件对于模拟锻造系统动力学行为的重要性。同时,深入研究了锻件的材料属性对夹钳所受最大荷载的影响。此外,还提出了一种基于弹塑性离散弹簧模型和Timoshenko梁单元模型的锻造系统动力学模型来进一步提高夹钳近端位置荷载峰值响应的预测效果。(2)为了更好地适应不同工作任务的要求,在前人工作的基础上提出了一种基于综合操作性能指标的操作机多目标优化设计方法。选取速度性能、力承载性能以及运动解耦性能来全面评价操作机的操作性能,采用可操作性椭球的概念对这些性能进行必要的量化评估,并根据操作性能对方向性的要求分别定义了速度性能和力承载性能的方向可操作度,然后引入全域性能的平均指标和波动指标精细描述操作机在整个工作空间内的操作性能,最后基于所提出的性能指标采用多目标遗传算法NSGA Ⅱ完成了操作机主运动机构的参数优化设计,使其综合操作性能达到最优,并通过与原设计的比较验证了所提出的性能评价和优化方法的实用性。(3)考虑到操作机的重载特性,为避免因受力不均造成局部受力过大而危及机械结构的安全性,在操作性能优化工作的基础上,对操作机进行了机构受力性能优化设计。通过灵敏度分析,以关键的机构受力构件在整个工作空间上的平均受力作为优化目标,并将操作性能优化的研究成果作为约束条件引入模型中,通过同时最小化所选的受力对象来实现机构受力的合理分配。优化结果显示在保证一定操作性能要求的基础上,使机构获得了良好的受力性能。(4)为减小锻压过程中夹钳的动态受力,提出了考虑操作机动力学性能要求的优化策略。首先为了方便系统动力学响应的求解,提高优化效率,对主运动机构进行了单自由度等效,并简要分析了机构位形和各运动构件对机构等效质量和等效刚度的影响。然后结合前面的研究成果,对操作机进行了多目标优化设计,以寻求既能满足操作性能和机构受力性能要求,又能改善操作机被动缓冲性能的设计方案。