复合柔性立管是深水油气开发中的关键设备。不仅要求较小的弯曲半径,还要求具有较大的抗外压、抗内压、抗拉伸的能力及长期可靠的疲劳寿命,因此在柔性管道的设计、分析、测试、制造、安装等方面均存在许多极具挑战性的关键力学问题。当前,只有少数国外公司具备柔性管道及附件的设计与制造能力,不仅价格昂贵而且采购周期很长,严重制约了我国深水油气资源开发的进程和效益。典型的深水柔性立管系统包括管体及防弯器等附件,每个部分的结构设计都涉及比较复杂的力学问题。特别需要指出的是,这其中关键是如何通过金属铠装层的设计,控制深水环境下静水外压引起的屈曲失效与环境载荷引起的动态疲劳失效的发生。而为了对疲劳寿命进行设计,首先需要对立管在由于自重、浮体升沉运动等引起的轴向拉伸力与环境载荷、浮体运动等引起的曲率半径作用下的复杂力学行为进行准确分析与评价。此外,对于高性能防弯器设计,不仅要满足立管最小弯曲半径要求,更要实现抗疲劳性与经济性指标的多目标设计要求。因此,对于先进的柔性立管及附件设计,涉及结构力学领域多个前沿课题。本文依托国家“十二五”863项目“柔性海底管道关键技术研究”专题(2012AA09A212),对柔性立管及附件设计的关键力学问题进行了比较系统的研究。针对管体设计,首先建立并完善了深水柔性立管临界压溃力、抗拉刚度、最小弯曲半径(MBR)与疲劳寿命等设计指标的理论分析模型,并采用数值模型与原型测试对设计指标与方法进行验证。同时,在防弯器设计中建立了多目标形状优化设计模型。本文主要研究内容、方法与结论概括如下:(1)柔性立管抗外压设计的应变能等效与计及加工缺陷的骨架层屈曲行为分析。为了增加径向刚度,同时不增加弯曲刚度,深水柔性立管采用了具有互锁截面的金属骨架层设计。由于骨架层结构形式复杂,使其抗外压屈曲设计与分析面临建模与计算上的挑战。本章提出了基于应变能等效的抗屈曲设计方法,并通过对三组不同尺寸骨架层试件的径向刚度测试对该方法进行了验证。建立了考虑缺陷骨架层外压下屈曲行为的三维有限元分析模型,并对骨架层成型过程进行了三维有限元模拟,计算钢板辊轧和扣压互锁过程所产生的加工残余应力。以某4寸海洋柔性管道骨架层为例,对其临界压溃力进行了设计与分析,并定量讨论了初始椭圆度、材料非线性以及加工残余应力等缺陷对骨架层临界压溃力的影响。本章提出骨架层抗外压屈曲设计方法与分析模型为深水柔性立管抗屈曲设计提供重要理论依据。(2)柔性立管抗拉刚度的设计与验证。海洋柔性立管采用多根钢丝螺旋缠绕圆柱结构以增加轴向拉伸刚度,同时降低弯曲刚度。本章考虑内核圆柱的径向收缩效应,建立了螺旋钢丝缠绕圆柱抗拉刚度的解析模型。同时建立了分析柔性管道轴向拉伸力学行为的三维有限元分析模型,并提出了验证解析模型与数值模型的拉伸刚度测试方法。通过4寸内径柔性管道拉伸刚度实验室原型测试,验证了本章提出模型的正确性;以8寸内径深水柔性立管为例,进一步探讨了不同设计参数对于管道拉伸刚度的影响。本章提出的抗拉刚度分析模型为海洋柔性管道抗拉设计提供有效的技术手段,同时为疲劳荷载分析与疲劳应力计算提供理论支持。(3)柔性立管最小弯曲半径的设计与验证。为了降低弯曲刚度,柔性立管金属铠装层均采用螺旋缠绕的结构形式。基于目前已有的螺旋钢丝弯曲应力解析模型不足,提出了基于Spring(弹簧)理论的预测模型。同时建立螺旋缠绕铠装钢丝的三维高精度有限元数值模型,对特定曲率下钢丝的局部应力进行计算。并以此数值分析结果为依据,对不同截面长宽比与螺旋缠绕角度情况下解析模型的适用性进行研究,进而验证所提解析模型的合理性。进而对于螺旋钢丝不同设计参数对MBR的影响进行了分析,为柔性管道MBR快速设计提供理论依据。同时本章提出的螺旋钢丝弯曲应力分析方法为柔性立管疲劳应力计算提供理论支持。(4)考虑层间摩擦的柔性立管抗疲劳设计与疲劳测试验证。金属螺旋铠装层间的接触摩擦等强非线性因素使得海洋柔性立管疲劳寿命设计与分析存在关键力学问题的挑战,也成为当前国际海洋工程界研究的热点问题之一。本章基于安全寿命设计方法提出了海洋柔性立管疲劳寿命的预测模型与流程。建立了柔性管道非线性弯曲刚度的理论与有限元分析模型,并通过弯曲刚度测试结果对上述模型的正确性进行了验证。基于此,提出了基于非线性弯曲刚度的整体荷载分析模型。建立了海洋柔性立管非线性疲劳应力的理论分析模型,包括拉伸、弯曲以及层间摩擦所引起的交变应力组份。以1500米水深的8寸内径柔性立管为例,对其疲劳寿命进行计算,并对各种非线性因素与平均应力的影响进行讨论。此外,提出了基于纯弯曲交变加载的柔性管道疲劳测试方法。以4寸内径柔性管道为例,对其进行疲劳强度测试,并通过修正材料S-N曲线实现定量考虑层间磨损等不确定因素对疲劳寿命的影响。本章所提疲劳测试方法对模拟实际工况疲劳试验无法验证疲劳寿命设计进行了有力补充。(5)柔性立管高性能防弯器结构设计与优化。柔性立管高性能防弯器设计不仅需要满足立管最小弯曲半径要求,还要同时具备抗疲劳性与经济性。本章考虑防弯器材料非线性和几何大变形,建立了柔性立管上弯段曲率分布的解析分析模型,同时建立三维有限元数值模型对解析模型的正确性进行了验证。以8寸柔性立管防弯器设计为例,分析了不同材料行为与形状参数对柔性立管曲率分布的影响。以柔性立管抗疲劳性能和经济性为目标函数,采用基于代理模型的优化方法对防弯器结构形状参数进行了多目标优化,讨论了不同优化算法的计算精度和效率。同时给出了实例优化设计的帕累托前沿,指导优化结果的工程应用。提出了一种基于样条曲线的新型防弯器构型,并通过与其他传统优化构型下的曲率结果比较验证了其在立管曲率改进方面的优势,为高性能防弯器的工程设计提供新的思路。本文提出的设计方法、分析模型与所得结论为安全、高效的设计深水柔性立管与附件提供了强有力的理论支持。