大威力、高机动性和高精度是火炮武器的重要发展方向,从而对火炮的刚度、强度、速度和精度提出了更高的要求,亟需掌握发射载荷沿火炮关键部件传递的力学特征,通过结构优化的方法实现发射载荷传递规律的有效控制。传统的火炮设计理论难以满足这种发展需求,因此开展大口径火炮发射载荷传递规律及结构优化技术研究具有重要的意义。本文以此为研究背景,应用非线性有限元、数值计算、现代优化设计等理论与方法对火炮结构刚强度优化设计、发射过程非线性有限元建模、发射载荷传递规律以及发射动力学优化设计等问题进行研究。采用有限元法对不同射击工况下炮架关键部件的刚强度进行了分析,找出了结构中的薄弱环节。对摇架进行了改进设计,有效提高了摇架的刚强度。针对上架刚度较差的问题,提出了一种变后坐长火炮上架结构拓扑优化方法,以此对上架结构进行了多射角工况条件下的优化设计,找出了上架结构的最佳外形轮廓和加强筋的最佳布局,在此基础上采用尺寸优化设计对上架结构进行详细设计,获得了上架结构的优化方案,显著提高了上架结构的刚强度。建立了火炮发射过程的非线性有限元动力学模型,研究了火炮结构非线性连接关系的有限元建模方法,重点考虑了身管与衬瓦、高低机齿轮与齿弧、座盘与地面间的接触碰撞有限元建模。对火炮进行了有限元模态分析和试验验证。采用隐式积分算法对火炮发射过程的后坐位移、炮口角速度和摇架应变等火炮动态响应量进行了计算,并通过对比数值计算结果与试验测试结果验证了所建立的火炮非线性有限元动力学模型的正确性。通过非线性有限元动力学数值计算,分析了火炮发射载荷沿摇架衬瓦、高低机齿弧和耳轴等关键部件传递的力学规律,并与传统方法的计算结果进行了对比,指出了传统方法存在的缺点和不足。分析了不同射角工况下火炮的动态应力变化规律和分布情况,结果表明该火炮满足刚强度设计要求。采用通用接触算法和多线性各向同性硬化弹塑性材料模型,建立了计及滚子与滚道间大规模接触碰撞的火炮座圈精细化有限元模型,对弹塑性材料模型和线弹性材料模型下的座圈非线性动态响应进行了对比分析,揭示了座圈滚子的应力、接触应力和接触力的分布和变化规律。通过数值计算研究了反后坐装置的结构布置和火炮总体结构参数对炮口振动的影响。通过对复进机和制退机的不同固定方式和布置位置下的炮口振动响应进行对比分析,获得了反后坐装置的结构布置对炮口振动的影响规律。通过对后坐部分偏心距、炮口制退器质量和前衬瓦位置等总体结构参数进行了关于炮口振动的灵敏度分析,获得了火炮主要总体结构参数对炮口振动的影响规律。采用最优拉丁超立方试验设计方法对设计变量进行了试验设计,结合非线性有限元动力学分析获得了炮口振动的样本数据,以此建立了火炮结构的多项式响应面模型、Kriging模型、BP神经网络模型和RBF神经网络模型,对比分析了不同火炮结构近似模型的适应性,结果表明基于BP神经网络的火炮结构近似模型具有较高的预测精度。建立了针对炮口振动优化的目标函数,结合火炮结构BP神经网络模型和遗传算法实现了火炮结构动力响应优化设计,有效地减小了炮口振动。优化后,炮口振动的BP神经网络预测结果与有限元计算结果基本吻合,表明了该方法的有效性与可行性。