流致振动是导致海洋立管疲劳破坏的重要因素,随着海洋石油开采由浅海逐渐向深水发展,海洋立管的长径比也越来越大,从而使立管在内外流作用下容易发生几何大变形。为了深入理解海洋立管的流致振动规律,本文首先对二维涡激振动的非线性响应和预测模型进行了相关研究,然后基于扩展Hamilton原理建立了考虑立管几何非线性特性的三维涡激振动模型,理论模型包括无内流的涡激振动模型、输液立管的涡激振动模型和气-液两相输送立管模型,研究了模型在不同外部激励下的响应特性。论文的主要内容和研究成果包括:（1）研究了弹性支撑圆柱单自由度横流向振动模型和二自由度平面振动模型在初始激励作用下的响应,发现不同初始激励作用下立管的响应可能会是周期、准周期和混沌。并且基于尾流振子模型建立了考虑圆柱几何非线性和水力非线性的二维涡激振动预测模型,通过与实验对比分析,验证了该模型的准确性。（2）采用非线性Euler-Bernoulli梁模型,基于扩展Hamilton原理,建立了考虑几何大变形和材料Kelvin-Voigt粘弹性的立管三维涡激振动模型,采用有限元方法对三维耦合振动偏微分方程进行求解。研究了经验系数、立管阻尼系数及模型维度对预测精度的影响,分析了均匀外流流速、梯度外流流速和脉动外流流速对立管响应的影响,最后分析了材料粘弹性系数对立管固有特性和时域响应特性的影响规律。研究结果显示,外流激励会使立管产生复杂的非线性响应,粘弹性系数对立管的响应有一定的抑制作用。（3）建立了立管在不同顶部激励作用下的三维涡激振动模型。分别研究了定常张力、简谐张力和横流向顶部激励三种形式对立管固有特性和时域响应的影响规律,对比分析了不同外流流速下的响应特征,探讨了立管位移和应力的空间-时间响应、横流向响应模态、立管的平面位移轨迹和相轨迹变化。研究结果表明,不同的激励可能增强或抑制立管的响应,通过施加适当的外部激励可以有效地降低立管的响应幅值。（4）采用非线性Euler-Bernoulli梁模型,基于扩展Hamilton原理,建立了考虑几何大变形和材料Kelvin-Voigt粘弹性的输流立管三维涡激振动模型。研究了常内流流速对立管固有特性和时间响应特性的影响规律,分析了周期脉动流的脉动频率和脉动幅值对立管位移和应力的影响规律。研究结果表明,内流流速会改变立管的固有频率,在不同外流流速下,存在临界内流流速使横流向响应模态发生改变。（5）基于垂直立管两相流理论模型,建立了气-液两相输流立管的三维涡激振动模型。研究了液相体积流量和气相体积分数对立管固有特性的影响规律,进一步探讨了气相体积分数对立管位移和应力的影响规律。研究结果表明,液相体积流量和气相体积分数会改变立管的固有频率,对高阶频率影响较大,而且在不同外流流速下,存在临界气相体积分数使横流向响应模态发生改变。