大吨位转炉设备属于重型设备,体积大,重量大,空间结构形式复杂。转炉设备运行于高温和冲击重载环境,运行工况十分恶劣。现有的结构力学设计理论不能胜任转炉设备设计的应力分析和变形分析,需要进行全尺寸、三维、复杂荷载下的热-机耦合非线性有限元分析和计算,计算建模工作量大,计算周期长,专业性强,设计院的普通设计工程师难以胜任,严重制约了我国大型转炉的自主创新设计。本文针对转炉设备中最为关键的两个部件,也是设计理论最为缺乏的变截面扭力杆和单箱双室水冷托圈进行研究,发展适合于普通工程设计师使用的新的设计理论和方法。本文采用初等弹性理论和梁杆振动理论,建立了变截面扭力杆的应力、变形和振动理论分析模型,推导了应力、变形和振动理论公式。与三维全尺寸扭力杆有限元模型数值解的比较表明,理论解精度较高,适合于扭力杆的强度、刚度和振动特性的设计分析。基于闭口薄壁杆件的约束扭转理论,建立了单箱双室闭口薄壁的托圈机械应力和机械变形分析的理论模型,推导了托圈内力、空间应力和空间变形理论公式。与三维全尺寸托圈结构有限元模型数值解的比较表明,理论解正确反映了托圈应力的复杂变化规律,精度较高,适用于基于机械荷载的托圈结构设计与分析。根据大体积转炉炉体热辐射的特征,针对水冷托圈外表面温度场的径向、轴向和周向分布,提出了“二向线性(分布)理论”,推导了托圈空间温度场理论公式。与三维全尺寸托圈结构有限元模型温度场数值解的比较表明,理论解正确反映了温度的复杂变化规律,计算精度符合工程设计要求。采用热弹性理论和力法,建立了单箱双室水冷托圈热应力和热变形分析的理论模型,推导了托圈空间热应力和空间热变形的理论公式。与三维全尺寸托圈结构有限元模型热应力和热变形数值解的比较表明,理论解可以正确反映热应力和热变形的变化规律,计算精度符合工程设计要求。基于机械应力、机械变形、热应力和热变形的理论分析,采用应力分量和变形分量直接叠加的方法,建立了单箱双室水冷托圈的热-机耦合应力和祸合变形的理论求解方法。与三维全尺寸托圈结构有限元模型热-机耦合应力和热-机耦合变形数值解的比较表明,理论解可以正确反映耦合应力和耦合变形的复杂变化规律,计算精度符合工程设计要求,尤其是热-机耦合变形的理论解,具有相当高的计算精度。由于所提出的应力和变形理论分析公式,均可以用解析式表达,计算编程简单,分析方便,大大缩短了扭力杆和托圈的设计周期,适合于普通设计工程师使用,从而为大型转炉的复杂扭力杆和托圈结构在复杂的机械载荷和热载荷联合作用下的结构设计,提供了简便、高效、可靠的新的设计理论方法。