管桩预应力张拉机是预应力管桩生产的主要设备,其主要功能是在预应力管桩生产中,张拉机根据不同型号的管桩提供不同的张拉力,为其钢筋笼施加精准的预应力,从而保证管桩获得良好的抗裂性能。针对现有张拉机存在的问题,对其结构和关键零部件进行了设计与优化研究,其主要研究内容如下:首先,论文综述了张拉机的国内外研究现状,分析了现有张拉机存在的关键问题,介绍了管桩预应力张拉机的主要功能与总体设计方案。建立了管桩预应力张拉机的三维结构模型,提出了张拉液压系统方案;根据功能、强度和刚度要求对张拉机执行端张拉部件进行了静力学分析,得出了其主要参数,为后续的优化设计奠定了模型基础。其次,为了确保张拉部件执行锁紧动作的可靠性,对张拉部件执行系统进行了分析,并得到了其运动特性和系统响应速度的影响因素。利用ADMAS软件对张拉部件传动系统进行了运动学仿真分析,得到了张拉部件活动端卡爪的位移、速度、加速度曲线;分析了张拉部件执行机构的运动学关系和张拉部件载荷动态关系,得到了张拉部件活动端的运动特性;利用控制理论建立了张拉部件液压系统的数学模型并推导出了其传递函数,分析了其系统性能,得出了影响其系统快速响应性的决定性因素,为张拉部件活动端的优化设计提供了理论指导。然后,为了提高执行端张拉部件的系统性能,对其结构进行了优化设计。为了提高张拉部件的系统快速响应性,利用响应面遗传算法对其活动端卡爪结构进行了尺寸优化设计,运用变密度法对其活动端卡爪结构进行了拓扑优化,从而达到活动端卡爪结构轻量化的目的;针对张拉部件活动端卡爪在其头部位产生应力集中现象,提出了椭圆曲线、双曲率圆弧曲线、B样条曲线三种曲线作为过渡曲线,并利用ANSYS优化模块对各曲线进行了形状优化求解,通过对比得出了张拉机活动端卡爪头部位的最佳过渡曲线。最后,开展了执行端张拉部件可靠性分析,验证优化结果。为了避免通过变幅载荷得到的疲劳寿命结果具有离散性,将变幅载荷转化为峰值的恒幅载荷,运用有限元分析结果与nCode Design-Life软件相结合的方法,对张拉部件疲劳寿命进行了分析。为了确保处在变幅载荷状态下的张拉部件有足够的可靠性,运用试验设计获得了随机变量响应的样本值,采用Kriging模型对样本进行拟合,获得了随机变量响应的数学模型,根据应力-强度干涉的相关知识,建立了张拉部件的极限状态方程,采用阶矩法对张拉部件的可靠性灵敏度进行了分析,得到了对张拉部件结构失效影响程度较大的设计参数,在整机设计制造过程中为选取设计参数提供指导。