浮托安装法(Float-over)是近年来逐渐盛行的一种高效的海洋平台上部结构安装方法。安装过程中,驳船和上部结构在波浪、流和涌浪的作用下会产生复杂的运动响应。桩腿耦合缓冲器(Leg mating unit,简称LMU)被广泛应用于缓冲上部结构与基础结构间的碰撞,已成为非机械式浮托安装中最关键的装置。为打破国外公司对LMU的技术垄断,中国海洋石油工程股份有限公司与上海交通大学组织了国内首个大型LMU缓冲装置的研发工作,本文的研究来源于该课题。LMU的两个主要功能是缓冲碰撞载荷和控制平台上部结构垂向位移,它们都与橡胶堆的载荷-位移曲线直接相关,因此橡胶堆是LMU最重要的部件。本文针对几种常见的LMU的结构形式,探讨了橡胶堆载荷-位移曲线的设计要求、非线性性质、精度要求和影响因素。目前国内外文献中鲜有对橡胶堆的载荷-位移特性和其影响因素的深入探讨,有必要在这方面展开详细研究。橡胶缓冲器的研究难点在于橡胶本身的非线性本构关系、不可压缩的特性和大变形及接触摩擦等非线性因素。本文介绍了橡胶材料的试验和本构模型,对适用于LMU这样高度非线性问题的数值计算方法进行了讨论,包括隐式和显式有限元方法、接触摩擦算法和不可压缩性的模拟。论文对LMU受到的碰撞载荷和冲击时间进行了分析,证明了LMU缓冲过程是准静态的,不用考虑橡胶粘性和应变率的影响。论文随后对一系列层叠橡胶堆进行了有限元计算,掌握了摩擦系数、橡胶垫层数和直径比对橡胶堆载荷-位移特性的影响规律;证明了在显式计算中,可使用泊松比ν=0.499模拟不可压缩性;揭示了橡胶堆缓冲效果与橡胶堆初始刚度的关系,并对橡胶垫的设计提出了合理的建议。论文使用网格映射法,CEL方法和SPH方法对LMU橡胶堆数值计算中单元扭曲的影响进行了讨论,证明其不会对论文研究中的橡胶垫数值分析造成不利影响。在上述定性规律的基础上,论文对层叠橡胶垫的载荷-位移关系展开了理论研究,以进一步对橡胶垫的设计起到深入而直接的指导作用。以往橡胶垫的理论研究中,橡胶基本上是被当作线弹性材料处理的,只能得到缓冲装置的初始刚度,无法预测其在有限变形下的响应。鉴于此,论文基于连续介质力学,使用Mooney-Rivlin非线性本构模型对粘结在刚性板间的圆形橡胶垫和环形橡胶垫的载荷-位移关系进行了理论推导。其中环形橡胶垫的推导考虑了三种不同的边界条件。论文给出了详细的推导过程和最终的解析表达式。论文使用它们对一系列算例进行了计算,并与有限元方法计算结果进行了比较,证明了推导公式拥有很高的精度和广泛的适用范围。论文还将新的理论公式与已有的理论公式进行了对比分析,并对橡胶垫的力学特性进行了讨论,从理论上对前面数值研究得到的部分结论进行了验证。LMU内部结构存在非常复杂的接触、摩擦作用,涉及到多种非线性因素,其结构响应分析也是研究的重点和难点。目前非线性有限元法是LMU结构响应分析的主要方法。但对如此复杂的问题,数值分析中存在多钟可能的误差来源,研究人员往往无法确定有限元计算结果与实际情况差异有多大。本文介绍了国内首次LMU的缩比模型试验,将试验测量结果与隐式非线性求解和显式准静态求解计算结果进行比较,证明了这两种方法均能真实反应LMU模型在试验过程中复杂的相互作用、结构上的应力分布和刚度特性,可用于实尺寸LMU的结构分析、强度校核和载荷-位移关系的数值计算。本文提出了一种适合LMU结构初步分析的简化有限元方法,讨论了这种方法的简化力学模型及载荷边界条件。使用该方法和显式准静态方法对国内首个自主设计的LMU进行了结构分析。通过两种方法结果的比较证明了简化方法在LMU初步结构分析中的适用性,并对原设计中LMU结构和橡胶堆尺寸进行了优化。最后,对优化后的LMU进行了强度校核,并从载荷-位移曲线和能量吸收等方面对LMU的进行了性能评估,证明了国内自主研发的LMU结构能达到预期的设计要求,安全可靠、性能优异。本论文的创新主要体现在:(1)揭示了橡胶堆层数、直径比、摩擦等不同设计因素对其载荷-位移特性的影响规律;(2)基于连续介质力学,使用Mooney-Rivlin型非线性本构关系推导了全新的圆形和环形橡胶垫在多种边界条件下的非线性载荷-位移关系理论公式;(3)提出了可用于LMU结构初步分析的简化计算方法,并通过国内首次LMU缩比模型试验,验证了论文提出的理论和计算方法的正确性。