弧形钢闸门因其水流顺畅、埋件少,启闭力小、运行灵活等优点,在水利水电工程中得到了广泛的应用。弧形钢闸门属于复杂的空间结构,规范中建议的结构布置形式是依据传统经验确定的,而没有考虑整体结构全局优化,导致弧形闸门支臂失稳破坏与结构材料浪费并存。随着拓扑优化理论和计算机技术的不断发展,拓扑优化在各行各业中的应用也越发广泛,目前拓扑优化在水工弧形钢闸门上的应用,仅局限于二维的拓扑优化,特别是未考虑支臂的稳定性及经济性的约束。因此,依据拓扑优化理论及结构稳定理论对弧形钢闸门进行轻型、稳定的结构布置优化极为必要。研究工作及成果如下:第一,依据连续体拓扑优化理论变密度法,基于通用有限元软件对表孔弧形钢闸门支臂结构进行了三维拓扑优化研究,以单元伪密度为设计变量,刚度最大为目标,体积剩余率为约束条件,惩罚因子为主要控制参数,经过无量纲化的大量表孔弧门支臂结构拓扑优化研究,提出了拓扑优化的Y型支臂结构构型与惩罚因子和体积剩余率的函数关系,据此初拟弧门Y型支臂结构初步构型。第二,尝试将拓扑优化理论、结构稳定理论及结构优化方法相结合,根据初拟拓扑构型建立考虑几何-材料双重非线性的稳定分析模型,并利用能量法进行稳定分析并获得Y型支臂的稳定安全系数,以规范为约束,以单位质量的稳定承载力最大为目标,优化求解得到弧门Y型支臂的最优结构形式。研究表明:第一,在设计水位时闸门关闭和瞬开两种工况下考虑支臂稳定约束的表孔弧门最优拓扑构型均为Y型树状结构;其中正常挡水时分叉点到支铰点的距离为弧门半径的0.355倍,瞬开时为0.443倍。第二,弧门支臂最优拓扑构型主要由惩罚因子和体积剩余率决定。惩罚因子决定Y型支臂形状,即惩罚因子越大分叉点越靠近门叶;体积剩余率决定着Y型支臂各截面的尺寸。应用本文方法,以某工程表孔弧形闸门为例计算表明瞬开为控制工况,通过与原设计结构进行对比,正常挡水时拓扑优化使支臂结构总重减小18.84%,瞬开时拓扑优化使支臂结构总重减小13.43%。