脐带缆是连接水下生产系统和浮式结构物的“神经生命线”,随着海洋油气资源开发深水化的推进,钢制管线的重量制约着深水油气开发进程。利用螺旋碳纤维增强杆代替脐带缆中的钢制铠装层,以实现脐带缆的轻量化设计,能够有效解决深水油气开发过程中脐带缆承载能力和自重之间的矛盾。论文运用数学解析方法对螺旋碳纤维增强杆结构的几何建模进行分析,发现建立其理想接触模型的参数化方程需要确定4个具体参数。采用各向异性的碳纤维材料,考虑结构的径向收缩以及装配压力作用,通过数学解析与有限元计算,推导计算螺旋碳纤维增强杆结构在拉伸-扭转耦合载荷下的刚度矩阵,发现数学解析与有限元计算所得各刚度系数较为接近,吻合程度较好;结构尺寸相同情况下,螺旋碳纤维增强杆结构的各刚度系数均略小于钢制螺旋增强杆结构,但其重量仅为后者的1/5左右。论文初步确定碳纤维增强脐带缆的整体形式,进行整体力学性能分析及水动力分析,发现碳纤维增强脐带缆较配置钢制铠装层的脐带缆具备更为优异的力学性能,完全能够满足水深2700m以下的恶劣工作环境。论文为深水脐带缆的轻量化设计提供了理论基础,进行了实践应用的初步探索,推动了深水油气资源开发的进程。