海洋强国战略以及《中国制造2025》行动纲领,明确要大力发展海上资源开发利用、作业保障等装备及其关键系统。近年来,随着国家对环海经济圈战略布局的推动,海上工程项目日益增加,并不断向外海延伸。用于海上风电高桩承台桩、导管架桩以及大型桥梁桩施工的打桩船,特别是大型打桩船,在海上桩基施工中的作用越来越突出、应用前景也越来越广阔。因此,本文开展大型打桩船桩架结构设计及优化研究,对适应深海大直径超长桩基打桩作业要求,具有重要理论意义和应用价值。论文主要研究工作及成果如下:(1)分析了深海用打桩船的主要工况以及现有打桩船桩架结构类型;针对满足深远海海况要求的大直径超长桩基打桩作业需要,设计出K型、宝石型和Z型三种不同结构的桩架,并建立了三维模型。(2)研究了有限元分析的基础理论和方法,用Hyper Mesh建立了三种桩架结构的有限元模型,为提高有限元计算的效率和准确度,各桩架结构中的杆件采用梁单元,各桩架中的大平面、后支脚以及两个前支脚采用壳单元,两者的连接处采用运动耦合Kinematic coupling进行约束。(3)针对三种不同结构的桩架,在Abaqus中进行仿真分析,结果表明:宝石型、K型和Z型桩架受到的最大应力分别为350.1 MPa、342.3 MPa、332.7 MPa,最大节点位移分别为145.3mm、142.2mm、131.5mm,因此,选择Z型桩架结构做进一步的研究。(4)分析了Z型桩架在8个典型工况的应力、应变云图,结果表明在所有工况下桩架结构受到的最大应力为343.5MPa,最大节点位移为326.6mm,桩架的强度和桩架的稳定性均符合规范要求。(5)研究了桩架的尺寸优化方法。建立了以杆件的变截面、平台薄板厚度作为设计变量,结构的最大应力作为约束条件,桩架结构的整体体积为目标函数的优化模型,并采用最优拉丁立方试验设计算法进行优化计算,结果表明:桩架体积减少了25.44%,桩架重量减少了379.08t。优化后的桩架使打桩船桩架的质量、体积、整体受力更为合理。