悬臂梁作为自升式钻井平台钻井设备的主要承载设备,其主要组成结构为高厚比较大的加筋板,由于屈曲性能是衡量加筋板承载能力的重要指标,因此开展悬臂梁的屈曲特性分析及其结构的优化设计具有重要意义。本文首先建立了悬臂梁主梁的力学模型,通过伽辽金法推导了其临界屈曲载荷的计算公式,在对悬臂梁尺度参数调研的基础上,分析了各影响因素对主梁屈曲载荷的权重比;建立了悬臂梁整体结构的有限元模型,从侧向抗弯刚度比的角度出发研究了配筋方式对悬臂梁屈曲性能的影响,通过弧长法得到了悬臂梁非线性屈曲的载荷-位移曲线,并对其线性屈曲载荷和非线性屈曲载荷进行定量计算,对比了与船级社规范屈曲安全系数的差异。通过理论分析对比了箱式悬臂梁和门式悬臂梁的力学性能,并使用有限元方法对结果进行了验证;同时考虑到制造及安装精度会使悬臂梁在钻井工况下发生整体的侧向倾斜,从强度和稳定性角度对该倾斜角进行了分析,并拟合了悬臂梁极限承载能力随该倾斜角变化的经验公式;依据船级社规范计算了钻台井架所受的风载荷,通过特征值屈曲分析定量研究了在多工况下悬臂梁随24组风向角变化的极限屈曲载荷,得到了悬臂梁屈曲的最不利风向角和风载荷对其承载能力的影响关系。以结构柔顺度最小为优化目标,分别对悬臂梁主梁和横梁结构开展了拓扑优化,通过进行优化前后的结构Mises应力对比验证了拓扑优化后的结构强度性能更优;并以结构屈曲承载能力最大为优化目标,分别对拓扑优化后的主梁和横梁开展了加强筋的布局优化,对比了优化前后的结构在多种工况下的屈曲载荷,验证了优化结果的准确性,为悬臂梁的优化设计提供了理论依据。