海上起桩装备是海洋油气作业平台与风力发电基础建设中不可或缺的装备之一。主要应用于大重量、大长度基桩的起桩工作,其中钢桩翻转器是海上起桩装备的主要发展方向。作为在复杂环境中作业的大型作业工具,良好的力学性能是钢桩翻转器的重要特征,合理的夹持机构与翻转机构是实现该特征的重要基础,对钢桩翻转器的设计研究具有重要的意义和实用价值。本文以国内自主研制的钢桩翻转器为研究对象,从钢桩翻转器的总体方案设计、力学性能分析以及试验三方面进行了分析研究。通过对国内外钢桩翻转器结构形式及参数进行调研,确定了钢桩翻转器工作状态下的受力特点(各个关键部件的结构形式、设计尺寸及材料选择)。通过分析确定了钢桩翻转器夹持机构整体夹持力的大小及钢桩夹取位置的选取范围,并对工作状态下翻转器的夹持机构、翻转机构等关键零部件进行了受力特性分析,推导出了各零部件间力学传递关系。通过有限元模型计算与分析,得到了工作状态下各部件应力变化情况,为钢桩翻转器力学性能分析奠定了基础。通过对钢桩翻转器承载力学特性进行研究,分析已知载荷作用之下,钢桩径向受力及接触力学特点及规律。在此基础上分析相同受力条件下不同截面形状钢桩夹持位置形变量与接触应力変化规律,对翻转器夹持机构与钢桩的适配性进行分析。基于动力学理论,针对钢桩翻转器的特点,构建了包含关键运动副的振动模型,并采用理论模态分析和数值模型计算分析相结合的方法得到了钢桩翻转器的固有模态参数。根据波浪振动的环境特点,基于钢桩翻转器的有限元模型,采用谐响应分析法,对波浪载荷作用下钢桩翻转器的动态特性进行研究。并验证极端波浪载荷条件下钢桩翻转器的结构强度。以钢桩翻转器样机为试验测试对象,利用测试平台,通过陆地夹持力测定试验及海试试验,对钢桩翻转器力学性能进行了试验研究。将试验结果进行了分析与总结,并验证了本文理论分析的正确性。并且海上试验取得成功,标志着钢桩翻转器已经具备了海上工程应用的能力。