锻造是一种主要的材料成形加工方法。锻件最终成形前,往往需要进行一次或多次预成形,预成形工序数目和预成形形状设计是塑性成形工艺和模具设计的根本和难点,一直未能很好地解决。基于经验、物理模拟或数值模拟的预成形设计方法难以得到合理的预成形设计结果,从理论上研究预成形设计方法具有重要的理论和工程意义。类等势场法作为一种新兴的非优化算法,可以用静电场中不同电压的两个导体间等势场分布模拟塑性变形过程中坯料与锻件之间最小变形路径,在三维复杂锻件的预成形设计中有广阔的应用前景。本文首次将类等势场法、工程优化算法和有限元分析方法相结合,以预锻件形状为优化对象,对三维轴对称锻件和三维复杂锻件(预成形件为三维形状)的预成形设计方法进行了系统的研究：(1)结合类等势场法和预成形优化设计的原理,针对需要两工步模锻成形的锻件,提出了基于类等势场法进行锻造预成形多目标优化设计的方法。该方法对只需一步预成形的三维轴对称锻件或形状复杂的非轴对称锻件均适用。(2)以典型的H型截面轴对称锻件为例,对需要两工步模锻成形的锻件进行了基于类等势场法的预成形多目标优化设计研究。首先运用静电场模拟方法获得了坯料与锻件之间的等势场分布；然后以等势线电势值和预成形件与终锻件体积比为设计变量,以锻造充填率为优化目标,对H型轴对称锻件的终锻成形过程进行了响应面分析,确定了最佳预锻件体积和合理的等势线取值范围；最后以等势线电势值为单因素设计变量,运用共轭梯度优化算法,对H型轴对称锻件进行了基于锻件变形均匀性和终锻力的多目标预成形优化设计,确定了最优预锻件形状,得到了飞边较小、变形均匀而且终锻力较小的终锻件。(3)针对需要多工步模锻成形的三维复杂锻件,提出了基于类等势场法进行两步预成形优化设计的方法。采用反向设计法,首先结合类等势场法、响应面优化方法和有限元数值分析,确定最优预锻件形状；然后基于优化后的预锻件形状,采用纵横截面曲线方法设计合理的预制坯形状。经过两步预成形设计,可以解决三维复杂锻件终锻时容易产生折迭和不易充满的问题。(4)以形状复杂的摆体锻件为例,对需要多工步模锻成形的三维复杂锻件进行了基于类等势场法的两步预成形优化设计研究。运用静电场模拟方法获得了坯料与摆体锻件之间的三维等势场分布,通过等势面的分布规律分析了坯料成形过程中的流动特征,判断摆体锻件可能出现的锻造缺陷；采用截面曲线放样法提取了三维静电场中等势面作为预锻件形状；基于静电场模拟结果,以等势面电势值和预锻件与终锻件体积比为设计变量,以锻造充填率为优化目标对三维复杂摆体锻件的终锻成形过程进行了响应面分析,确定了最佳预锻件形状和体积。(5)基于优化后的摆体预锻件形状,提出了纵横截面曲线预制坯设计方法。依据坯料锻造过程中的流动规律和预锻成形缺陷分析,设计了等断面横向截面曲线和对称平面纵向截面曲线；并根据制坯和预锻成形模拟结果对截面曲线形状进行了改进,确定了合理的预制坯形状,确保材料充满预锻模锻；通过制坯和预锻两步预成形优化设计,获得了形状符合设计要求、飞边较小的无缺陷摆体锻件。