空间刚架结构是工程上常用的结构形式,根据刚架结构的构建特点进行形状优化可以极大地改善结构的力学性能,减轻其结构重量。对于空间刚架结构形状优化问题,许多学者都进行了广泛的研究,但研究内容几乎都是基于小变形线弹性理论的有限元法,而未考虑结构的非线性因素。实际结构中,在承受载荷后,一般都存在非线性变形的影响。本文在分析和总结了当前国内外结构形状优化研究工作的基础上,针对考虑几何非线性的空间刚架结构形状优化设计开展研究。基于非线性有限元理论,采用全拉格朗日(Total Lagrange)描述法,考虑高阶非线性项的影响,推导了空间梁单元的几何非线性切线刚度矩阵。推导了考虑几何非线性项的结构形状优化位移灵敏度和应力灵敏度计算列式。在空间刚架结构的形状优化设计中,关键的一项工作就是计算应力灵敏度,在计算应力对刚架结构形状优化的设计变量——结点坐标的灵敏度时,需用到单元刚度矩阵对结点坐标的导数。为了简化计算、方便编程,本文采用半解析法来计算刚架结构的应力灵敏度。基于位移协调,提出了一种虚拟刚度单元,模拟空间刚架结构梁单元之间的偏移搭接问题,从而能更加准确地模拟实际的结构。编制了空间刚架结构优化设计程序(3DFEM-OPT.FOR),并利用编制的优化程序对某大型斗轮堆/取料机前臂架在最大应力约束条件下,进行结构形状优化设计;在形状优化的基础上,采用二次优化技术,对结构的截面尺寸进行了优化。运用本文提出的形状优化理论,以空间刚架形式的臂架结构为对象进行了应力约束下的形状优化设计,取得了良好的效果。