海洋脐带缆是深远海油气开采中的核心装备之一,其连接于海底管汇与海面浮体之间提供远距离液压传输和光电混合控制功能。脐带缆由功能构件和其它加强构件集束而成,其截面基本力学模型为典型多层多构件非粘结螺旋缠绕结构。同时,在位运行中的脐带缆整体线型宏观呈现大长度波形态(S形整体线型不在本文的研究范围内)。可见,脐带缆局部截面和整体线型在两个几何尺度上的复杂性给结构的力学性能分析与优化设计带来严峻挑战。此外,由于海洋环境波浪和海流等载荷的复杂性,脐带缆结构力学性能的准确分析和高效设计是其功能实现的重要保障。在位运行中的脐带缆局部截面承受着拉伸、扭转以及弯曲等荷载,现有理论分析方法不能够准确地刻画脐带缆结构的力学行为;而数值模拟往往依赖于复杂庞大的有限元模型,严重地影响了分析效率。目前脐带缆设计流程将局部截面分析和整体线型分析解耦为独立的两部分内容,且需要分析校核数百种工况,严重地制约了设计效率。此外,功能构件种类和数目繁多的脐带缆截面布局设计目前仍然几乎依赖人工经验,缺乏量化的理论和设计方法。因此,本文在国家高技术研究计划(“863”计划)子课题“水下生产系统钢管脐带缆集成设计及附件研制”(2014AA09A224-3)项目的支持下,针对上述海洋脐带缆结构分析及设计中所面临的四个期待解决的关键力学问题开展了详细的研究。首先,针对脐带缆结构拉扭力学行为建立了内核截面二维数值模拟与三维拉扭刚度理论分析模型相结合的半解析分析方法。其次,建立了脐带缆结构几何双尺度(局部截面力学性能和整体线型变形)等效快速分析方法。然后,提出了脐带缆结构局部截面和整体线型几何双尺度集成优化模型。最后,建立了脐带缆截面布局多场优化设计方法。具体研究内容如下:(1)脐带缆结构拉扭力学行为分析脐带缆在实际工程应用中往往承受沿轴向的拉伸和扭转荷载。螺旋缠绕结构形式的脐带缆在变形过程中拉伸和扭转行为相互耦合,且会加剧对脐带缆内核结构的径向挤压作用。同时,脐带缆内核构件之间存在着间隙且护套材料本构关系往往非线性特征明显。上述因素给脐带缆拉伸和扭转力学行为分析带来巨大的挑战。目前理论解析方法往往仅考虑拉伸和扭转单独荷载作用下的脐带缆力学行为,所引入的宏观泊松比参数求解困难,难以准确描述拉扭力学行为的非线性特征。因此,本文首先从脐带缆真实力学行为出发,针对脐带缆铠装层结构建立了细长螺旋构件缠绕内核圆柱的简化力学模型,并基于曲梁理论推导了以内核结构径向刚度为参量的拉扭刚度理论分析模型。其次,建立脐带缆内核结构二维数值模型,精确分析获得内核结构截面的径向刚度,并代入到前述拉扭刚度理论分析模型,分析获得脐带缆局部截面拉扭等效力学性能。通过这种脐带缆内核截面二维数值模拟与三维拉扭刚度理论分析模型相结合的途径,提出了脐带缆拉扭力学行为的半解析分析方法,有效地克服了以往解析理论模型中径向变形难以准确评估的困难。最后,以实用于我国南海某水下生产系统脐带缆为例,通过半解析方法分析了脐带缆拉伸荷载下的非线性行为特征,同时将截面拉伸刚度分析结果与实验结果进行对比,其相对误差仅为5.76%,充分说明了所建立的半解析分析方法的正确性。(2)脐带缆结构几何双尺度等效快速分析相比脐带缆结构轴向拉伸和扭转变形行为,弯曲荷载作用下内部构件之间的接触摩擦给脐带缆结构力学行为分析带来了较大困难。为了获得较为精确的力学性能,通常需要建立若干螺距长度的数值模型。此外,由于脐带缆局部截面与整体线型几何尺度往往相差巨大,精细化建模中往往存在较大规模的自由度数目,从而使得结构力学行为分析和优化设计较为难以实现。因此,本文引入渐近均匀化方法,建立了针对脐带缆一维周期性结构特征的几何双尺度等效快速分析方法,实现了脐带缆结构局部截面力学性能和整体线型变形的快速分析。最后,以第二章脐带缆为例,建立了周期性边界条件下的有效单胞模型。通过计算获得了脐带缆截面拉伸、弯曲和扭转力学行为下的等效力学性能参数;并与现有文献结果作对比,验证了该方法的正确性。同时基于该截面等效力学性能参数模拟了脐带缆悬链线整体线型的变形。在相同工况下,与精细有限元数值模拟结果进行对比,其位移相对误差小于3.10%,充分验证了所建立的脐带缆结构几何双尺度等效快速分析方法的可行性和有效性。(3)脐带缆结构几何双尺度集成优化设计传统的脐带缆结构分析设计方法将局部截面分析和整体荷载响应分析解耦为独立的两部分内容。而且,往往涉及数百种不同工况的校核分析,致使整个脐带缆设计流程需要在上述两个几何尺度间不断地迭代试算,严重地影响了设计效率。本文建立了几何双尺度集成优化方法将脐带缆局部截面参数与整体线型参数集成设计,一方面要求脐带缆整体动态张力和曲率响应尽可能小,另一方面使得局部截面拉伸刚度尽可能大且弯曲刚度尽可能小。考虑设计参数约束以及截面许用荷载强度约束构建了以截面最大拉伸应变和最大弯矩最小化为目标的脐带缆集成优化模型。同时,通过RBF(Radial Basis Function)神经网络建立近似代理模型,并采用NSGA-II(Non-dominated Sorting Genetic)算法求解此多目标优化问题。最后,以脐带缆缓波形线型为例,采用上述优化策略获得了局部截面和整体线型设计的多目标Pareto最优解集,并通过数值模拟对部分解进行了验证。对比结果说明了几何双尺度集成优化方法的有效性。同时将优化结果与初始设计方案对比,结果表明优化后的设计方案能够提高脐带缆疲劳服役寿命。(4)脐带嫌截面布局多场优化设计随着海洋脐带缆功能集成程度的提高,内部所包含功能构件的种类和数目逐渐增多。不同的脐带缆截面布局形式对缆体局部截面力学性能有着明显的影响;同时由于内部构件电缆传输电能过程中所产生的热量直接影响着材料的物理和力学性能。因此,多构件脐带缆的截面布局设计为典型的多场优化问题。目前规范中仅提出了紧凑和对称原则,而对于如何量化操作尚缺乏数学描述理论和设计方法。本文针对脐带缆截面紧凑性、平衡性、对称性和温度场分布提出了相应的数学描述和量化指标。进而以上述性能为优化目标建立了脐带缆截面布局多场优化设计方法,通过粒子群算法获得截面布局设计的多目标Pareto最优解集。最后,以前述脐带缆截面为实例,通过上述优化方法快速获得了最优截面布局形式,充分验证了所提出的脐带缆截面布局优化设计方法的高效性和有效性。上述研究成果直接促进了我国首套脐带缆集成快速设计软件的开发;以及推动国产首根脐带缆在南海某油气田的工程应用。为我国海洋脐带缆的设计和研制提供了扎实的基础理论和设计方法。