海洋深水油气田开发对提高我国能源自给率,保障我国能源安全具有重要意义。深海油气管道作为海洋油气开发所需的关键设备,担负着油气集输的重要使命,被称为海洋油气生产系统的“生命线”。目前海底油气管道所采用的“钢-填充材料-钢”传统夹层管道虽然表现出良好的抗屈曲压溃性能以及保温隔热性能,但其容易在弯曲作用下产生椭圆化、耐腐蚀性能较差等问题依然存在。基于此,本文提出了一种由同心放置的GFRP外管、内钢管及ECC夹芯层组成的新型深水夹层管,这种新型夹层管道相比于传统的深海油气管道具有浮重度小、耐久性好、抗屈曲传播性能好等优点,是一种极具应用前景的新型海洋油气管道形式。由于深海油气管道在铺设以及服役过程中会不可避免地受到外压作用以及弯曲-外压耦合作用的影响而处于复杂应力状态,继而使管道发生屈曲破坏并造成灾难性后果,因此本文通过广泛的数值模拟参数分析以及初步管道压力试验,对新型夹层管在复杂应力状态下的力学性能和屈曲机理进行研究,主要工作及成果如下:(1)新型夹层管道屈曲机理分析。通过归纳和总结传统海底管道的相关设计方法,确定了在海底管道设计中需要重点研究的纯外压以及弯曲-外压耦合这两种工况以及对于夹层管道屈曲性能具有较大影响的关键参数。相关参数包括:管道径厚比、初始缺陷、材料属性、界面粘结强度以及加载路径,为后文关于新型夹层管的力学性能研究提供了研究依据和研究方向。(2)新型夹层管道有限元模型的建立。本文利用有限元软件ABAQUS对新型夹层管道的各部分结构参数进行了精细化建模,从而为后续多工况下的新型夹层管有限元数值模拟分析提供可靠的数值模型。(3)纯外压作用下新型夹层管道数值模拟研究。本文通过有限元数值模拟的方法对新型夹层管道在外压作用下的力学响应进行了深入且广泛的参数分析,研究了初始几何缺陷、界面粘结性能、截面几何尺寸以及材料属性对于新型夹层管在外压作用下力学性能的影响。研究表明,不同参数对于新型夹层管在弹性阶段的屈曲性能影响较小,对于其在塑性阶段的屈曲性能影响较大,其中内层钢管的径厚比对于新型夹层管在外压作用下屈曲性能的影响最为显著。(4)弯曲-外压耦合作用下新型夹层管道的数值模拟研究。本文通过有限元数值模拟的方法对新型夹层管道在弯曲-外压耦合作用下的力学响应进行了深入研究,研究了包括加载路径、初始几何缺陷、界面粘结性能、管道截面几何构造以及材料属性对其在此工况下力学性能的影响。结果表明界面粘结性能和夹芯层厚度对于新型夹层管在此工况下抗屈曲性能的影响最为显著。(5)新型多功能管道压力舱设计。通过自主设计,研发出一款新型多功能管道压力舱,这种新型管道压力舱采用了半封闭式结构,实现了管道压力试验过程中压力舱内部试验数据的实时收集。在实现静水压力作用这一基本工况的基础上,同时通过设置轴向以及横向加载装置,实现了轴向压力以及弯曲两种工况。新型多功能管道压力舱的研发为后续夹层管道的大量足尺寸管道压力试验建立了可靠且功能强大的试验平台。(6)新型夹层管道静水压力试验。利用所设计的新型多功能管道压力舱,对新型夹层管道试件进行了初步静水压力试验,本试验在验证试验装置有效性的同时,也初步获得了新型夹层管在静水压力作用下的力学响应以及破坏模态。并通过数值模拟将本试验所得结果成功复现,管道在压力试验中的屈曲荷载为31.45MPa,在数值模拟计算中的屈曲荷载为32.1MPa,误差仅为2.07%。试验结果的成功复现初步表明本文所采用的新型夹层管道数值模拟方法以及所得数值模拟结果的准确性。