水下生产系统是深水石油开发中的一种经济有效的开发模式,随着我国南海石油开发的快速发展,有广泛的应用前景。连接海上浮体和海底设备的动态脐带缆是水下生产系统的关键装备之一,为海底设备提供电力、液压和化学药剂注入以及数据传输。目前只有少数国外公司具备设计及制造能力,国内所用的脐带缆均从国外公司购买,价格昂贵且采购周期长,严重制约我国水下生产系统的应用和发展。深水动态脐带缆设计对结构性能的要求比较高。由于自重原因,要求脐带缆能够承受较大的拉伸荷载；由于卷管安装、海洋环境以及浮体运动作用,要求脐带缆有较小的弯曲半径；同时还要求在恶劣的环境荷载下,脐带缆满足长期的使用寿命。因此脐带缆结构性能设计应具有较好的抗拉性、柔顺性、高疲劳寿命以及优化的单元布局。由于脐带缆为复杂的多单元、非粘结、多层螺旋缠绕结构,结构性能设计的预测模型比较复杂,理论与数值模型预测存在较多的不准确性,脐带缆设计需要通过室内原型实验验证。本文依托“十一五”国家高技术研究发展863计划,海洋技术领域“水下生产系统脐带缆关键技术研究”专题(2009AA092301),开展面向提高脐带缆结构性能设计的分析方法与实验方法研究。分别建立了脐带缆的拉伸性能、弯曲性能以及疲劳性能的预测模型,并提出原型实验方法进行验证；提出了单元布局优化设计的量化方法。本文所开展的主要工作及研究成果归纳如下：(1)脐带缆拉伸性能的设计与验证深水动态应用的脐带缆在安装及在位过程中受到较大拉伸荷载作用,如果结构的拉伸刚度过低则将导致结构变形过大,进而引起结构的变形失效。脐带缆的拉伸刚度是衡量结构拉伸性能设计的一个重要指标。针对脐带缆缆芯结构的径向可收缩特点,结合解析分析与数值分析方法,建立拉伸刚度的半解析分析模型。通过二维有限元模型,分析缆芯的等效径向刚度并作为解析分析模型的输入参数,进而快速计算脐带缆结构的拉伸刚度。在实验室搭建原型拉伸实验测试系统,验证了上述半解析分析模型的适用性。研究了脐带缆结构参数包括缆芯的径向刚度、铠装钢丝的缠绕角度及钢丝直径对拉伸刚度设计的影响。(2)脐带缆弯曲性能的设计与验证深水动态应用的脐带缆在位过程中,其顶部与底部受到较大弯曲荷载作用,因此减小顶部或者底部的曲率可以避免弯曲失效。脐带缆的弯曲刚度是动态荷载分析的重要输入参数,对曲率响应有较大影响,因此弯曲刚度是衡量结构弯曲性能设计的一个重要指标。考虑截面各单元间之间的摩擦作用,建立脐带缆全三维有限元分析模型,对非线性弯曲行为进行了数值模拟。该有限元模型能够准确预测脐带缆从无滑动、部分滑动到全滑动的过程。在实验室搭建了原型弯曲实验测试系统,验证了有限元分析模型的正确性。研究了脐带缆结构参数包括单元间的摩擦系数、单元的缠绕角度以及护套材料对弯曲刚度设计的影响。(3)脐带缆疲劳性能的设计与验证周期性波浪荷载以及平台运动使得深水动态脐带缆顶部受到较大的拉伸荷载与循环弯曲荷载的组合作用,导致内部单元受到交变应力而产生累积损伤进一步引起疲劳破坏。截面单元间相互摩擦作用对疲劳寿命有显著的影响,在疲劳寿命分析过程中,整体荷载分析模型中采用非线性弯曲刚度作为输入,同时局部应力分析中考虑单元间接触引起的摩擦应力影响。基于上述整体荷载及局部应力分析模型可得到更准确的脐带缆疲劳寿命预测。提出四点纯弯曲疲劳实验方法并建立相应室内原型疲劳实验系统,对上述脐带缆疲劳性能的分析模型与方法进行检验。(4)脐带缆单元布局的优化设计脐带缆规范ISO13628-5中关于截面的布局要求仅给出了对称性等一般性原则,并未给出可操作的具体方法及工具。基于对称性及结构力学性能要求,提出脐带缆单元的最优布局设计方法。首先为保证截面每层单元的对称排布,提出旋转对称及最大对称轴的数学描述模型,并开发相应设计软件进行求解。然后建立不同布局方式的截面精细分析有限元模型,定量分析结构力学性能,筛选确定最优的截面布局,保证脐带缆具有更优的抗拉性能及抗疲劳性能。