据统计,当前油气资源在能源结构中占主要地位,且这一趋势在未来仍将继续。综合考虑矿藏量、开采成本、回报率等因素后,海洋油气开发成为热点且逐渐向深水发展。深水柔性立管是连接浮式平台和水下生产系统的关键装备,一旦破坏将带来经济和环境上的双重打击。与此同时,我国在柔性立管的独立自主设计与安装方面仍欠缺经验。因此,与其设计分析相关的理论研究对于我国的海洋强国建设具有重要意义。然而柔性立管是复合材料结构,且结构形式独特,截面力学性能复杂,故无法利用与均质材料相关的理论对其进行力学分析、疲劳分析。本文根据柔性立管材料、结构、受力特点等,建立合理的局部理论模型,以便研究其力学响应特性。此外,将通过有限元软件对其进行整体分析的结果与局部理论模型相结合,通过雨流计数法、S-N曲线、Gerber修正、Miner损伤累积理论,预测柔性立管的疲劳寿命,构建一套完整的对柔性立管疲劳分析的理论方法,以便为柔性立管的设计提供理论指导。许多实验的结果表明,柔性立管在轴力、内压、外压和扭矩作用下的响应呈线性,而在弯曲载荷作用下则表现出明显的迟滞性。考虑到柔性立管横截面是轴对称结构,作用于柔性立管的轴力、内压、外压和扭矩均为轴对称载荷。本文在建立局部理论模型时,分别建立轴对称理论模型和弯曲理论模型。(1)建立柔性立管轴对称理论模型。在轴对称载荷作用下,对螺旋层和圆柱层采取一些适当的假设,基于最小势能原理推导出在仅考虑轴向应变、考虑径向应变、考虑螺旋条带的弯曲扭转时螺旋层的刚度和圆柱层的刚度。而后通过拉格朗日法引入层间接触条件,将它们联系成一个整体,依据同样的原理,推导出整体刚度。以2.5英寸的柔性立管为例,将依据本文理论模型计算的结果与已发表的有限元模型结果对比分析,拟合较好,验证了柔性立管轴对称理论模型可行性。同时研究发现,内压作用会增加柔性立管的轴向拉伸刚度。(2)建立柔性立管弯曲理论模型。柔性立管弯曲刚度为各层刚度叠加。在弯曲过程中,圆柱层遵守平截面假定,其弯曲刚度根据梁理论可确定。当弯曲曲率较小,螺旋层与相邻层间无相对滑移,通过最小势能原理确定螺旋层的弯曲刚度;当弯曲曲率较大,螺旋层与相邻层间发生相对滑移,引入滑移机制,通过将螺旋条带无滑移区域和滑移区域的轴力进行积分可确定螺旋层的弯曲刚度。根据此模型对2.5英寸的柔性立管进行弯曲响应特性分析,发现螺旋条带的无滑移阶段的弯曲刚度仅与螺旋条带的缠绕角度有关,与层间摩擦系数无关。(3)研究柔性立管疲劳分析及寿命预测的理论方法。首先为描述长期海况,选取合适的环境参数,而后在Orca Flex中建立整体分析模型并进行动态分析,确定疲劳热点和疲劳热点的张力、曲率响应时程,通过前两章的局部理论模型计算疲劳热点的抗拉铠装层的应力响应时程。而后通过雨流计数法、应力幅修正、S-N曲线、损伤累积理论预测疲劳寿命,从而发展出一套完整的疲劳分析方法,并以此方法研究4英寸柔性立管疲劳性能。研究发现,海况可以通过影响张力和曲率响应在柔性立管疲劳破坏过程中的影响比重来影响疲劳热点横截面内率先发生疲劳破坏的位置。