河道工程根石探测系统是一种新型水下根石探测技术装备，进行深入地分析和研究，对提高防汛抢险的科技水平及综合实力，提高防汛抢险预案的有效性，保护人民生命财产安全，保障经济建设成果都具有十分重要的意义。根据探测系统样机的试验情况和存在的问题，本文提出了新型河道工程根石探测系统的总体设计方案。重点以优化设计技术和有限元分析软件ANSYS为分析研究工具，对探测系统作业装置的重要结构部件——箱型伸缩式探测臂和变幅机构进行了结构分析与优化设计研究。采用ANSYS软件的实体建模方法建立了箱型伸缩臂的三维实体模型。通过选择单元类型和网格划分操作，完成了整个伸缩臂的有限元网格划分；利用节点自由度耦合的方法模拟滑块接触处的实际联接，将各节臂及滑块作为一整体；在分析箱型伸缩臂的结构和受载特点的基础上，建立了箱型伸缩臂的有限元分析模型。通过对伸缩式探测臂在三种不同工况下进行的有限元静态分析，得出了不同工况下探测臂的应力和变形情况，确定了危险工况和应力集中危险区域。论文通过对箱型伸缩式探测臂的模态分析，确定了探测臂的固有频率和模态振型。为了验证有限元分析结果的准确性和可靠性，利用材料力学的方法对箱型伸缩臂的强度和稳定性进行了分析计算。根据有限元分析计算结果，对箱型伸缩臂的应力集中区域提出了结构改进方法，这也为同类型作业装置的结构设计和改造提供了科学的理论依据。以箱型伸缩臂有限元分析为基础，在保证伸缩臂的强度和刚度的前提下，以伸缩臂自重为目标函数，以伸缩臂截面尺寸为优化设计变量，对伸缩臂进行了有限元优化设计。优化后，伸缩臂的截面尺寸明显减小，自重降低了26.4％。达到了减轻重量，节约材料，减少成本的目的。对河道工程根石探测车箱型伸缩臂的变幅机构进行了运动分析和受力分析，运用优化设计方法，以变幅过程液压缸的压力和伸缩臂危险截面的弯矩为目标函数，建立了变幅机构三铰点位置优化设计的数学模型，利用线性加权法为多目标优化问题构建了统一的目标函数。通过优化分析，获得了变幅机构三铰点位置的优化设计参数，优化后变幅过程液压缸的最大工作压力和伸缩臂危险截面的最大弯矩值与优化前相比分别降低了32％，7％，有效地改进了原始设计，减小系统的压力损耗，提高了系统工作效率。