随着我国水利水电工程建设的快速发展，已建和在建的特大型水利工程的比重不断增加。特大型水利工程具有施工工程量大、技术难度高、施工工期长、施工高峰期施工机械利用强度大、施工干扰大、影响因素众多、施工质量和施工安全要求高等施工特征。为了保证工程施工质量，确保施工进度，就必须采用特大型、高效、安全可靠的施工机械，以提高特大型水利工程施工的综合机械化水平。然而，特大型施工机械一般都是新型机械，在国内外工程中应用的实例都较少，且在设计和制造上还可能存在一定的缺陷，具有一定的脆弱性。因此，研究在特大型水利工程巨大的工程量和复杂工况条件下，如何确保施工机械的安全和高效运行，对优化施工进度、提高施工机械利用率以及控制施工质量和成本都具有十分重要的理论研究意义和工程应用价值。本文结合“十一五”国家科技支撑计划专题（专题编号：2008BAB29B0502）的研究任务，首先以TC2400型塔带机为研究对象，运用CATIA软件建立了其三维可视化虚拟样机仿真模型，并利用CATIA的DMU技术对塔带机虚拟样机进行了空间分析、干涉检验和虚拟运动仿真，获取其仿真参数，对塔带机的实际运行工况具有良好的指导意义。其次，以有限元理论为基础，运用ANSYS有限元软件对TC2400型塔带机起重臂进行了不同工况下的静刚度校核分析，并进行了臂架的模态分析和谐响应分析，为施工过程中进行机械安全控制提供了参考依据。最后，对特大型水利工程施工过程进行了系统分析，建立了离散型施工机械和连续性施工机械的优化配置数学模型；结合高混凝土坝施工系统，运用排队论理论，将其抽象为一个复杂、多级随机有限源服务系统，以缆机、门机和自卸汽车等离散型施工机械为研究对象，建立了施工机械优化配置的赋时Petri网仿真模型，运用面向对象的思想进行了仿真分析。总之，本文利用有限元理论、虚拟仿真技术和Petri网建模仿真方法，以TC2400型塔带机、缆机和门机等大型施工机械为研究对象，对特大型水利工程施工机械的安全、高效运行问题进行了研究。研究成果对特大型水利工程施工具有重要的指导意义，并在国家科技支撑计划项目“特大型施工机械运行安全、诊断与优化”中获得应用。