在海洋油气开发中,电液复合式水下控制系统是水下生产控制系统的主流形式。水下控制模块(SCM)作为水下生产系统的控制中心,是确保水下油气开采的关键设备之一。目前,SCM的核心技术长期被欧美发达国家所垄断,严重制约着我国深海油气装备的发展。SCM的国产化,对于实现我国海洋油气自主开采具有重要的理论意义和实际应用价值。本文针对工程应用电液复合式水下控制模块的设计及试验进行研究,主要进行以下研究工作:(1)研究高可靠性的工程应用电液复合式SCM总体方案。针对多路接头水下同步精确对接定位的需求,解决传统“一面两销”对接定位机构过定位问题,提出一体式对接定位吊装锁紧机构设计方案;针对水下采油树的液压驱动需求,设计一套具有冗余功能的高可靠性液压系统;针对水下生产工艺的控制需求,设计一套具备冗余控制和监控功能的电控系统。(2)研究工程应用SCM对接定位吊装锁紧技术和水下电子模块的散热和密封技术。针对对接定位机构,建立最大对接偏差的数学模型,采用遗传算法和fmincon函数进行分析,得出定位键与键槽的最大允许配合间隙,提高对接成功率;针对吊装锁紧机构,对其水下锁紧过程进行理论和动力学仿真分析,求解出所需水下机器人(ROV)提供的稳定扭矩和最大扭矩值,为作业ROV的选型提供理论基础;针对水下电子模块(SEM)在水下密闭空间散热困难的问题,提出一种接触式散热方案,建立散热热阻网络模型,对其进行散热仿真分析,验证接触式散热方案的有效性,并研究水温与元件耗散功率对SEM温升的影响;针对SEM应具备良好的高压密封要求,本文提出采用哑铃形密封圈代替O形密封圈,并利用有限元分析不同初始压缩率与间隙对密封性及寿命的影响,并确定出两种密封圈在高压环境压力下最优初始压缩率和间隙。(3)研究工程应用SCM液压系统设计及液压仿真技术。针对深水闸阀的启闭受力情况进行分析,得出闸阀启闭的数学模型,分析出阀门启闭的影响因素;针对液压系统集成化的需求,液压系统采用集成式布局,并对液压集成阀板进行设计及危险点校核;基于Simulation X建立低压系统充泄压和单独操作深水闸阀工况的仿真模型,验证本文液压系统设计满足工程技术要求;针对难以实测单元参数对水下液压控制响应影响的问题,仿真研究系统各组件参数对水下液压控制系统的响应时间的影响规律。(4)研究工程应用SCM的试验测试方法。研制一套阀门执行器模拟装置,并搭建工程应用SCM的测试系统,对其机械系统、电控系统和液压系统进行测试,验证对接定位机构可实现多路接头同步精确对接定位,电控系统可实现冗余控制和监测,液压系统具备液压驱动、冗余功能、应急泄压功能,水下电子模块具备良好的高压密封性能。