非粘结柔性立管由剖面形式复杂的金属层和聚合物层构成,各层具有不同的几何形式、材料特性及功能,以保证立管在安装和使用过程中的安全性。非粘结柔性立管相邻层间无粘结甚至存在缝隙,在外载作用下可发生相互分离和相对滑移。特殊的结构形式和制造工艺使非粘结柔性立管具有较大的轴向抗拉刚度和较小的弯曲刚度,能够承受较大的平台和船体运动,因而在深海油气资源开发中得到了越来越广泛的应用。同时,结构形式的复杂性也为非粘结柔性立管特性分析带来了一定的挑战,如螺旋带的弯曲迟滞特性、骨架层和抗压铠装层的压溃失效、抗拉铠装层螺旋钢带的径向及侧向失效。目前,国际海洋工程界尚无法全面掌握该类立管的截面力学性能及失效特性,因此有必要开展深入的研究。非粘结柔性立管是一种价格昂贵的海洋结构物,对其研究不能完全依赖于试验方法,本文根据国际上非粘结柔性立管的最新研究动向,分别采用理论和数值方法对非粘结柔性立管截面力学性能和典型失效特性开展了深入研究,取得了积极的成果。论文主要研究内容如下:(1)分别采用理论和三维数值方法研究了在轴对称载荷和弯曲载荷作用下非粘结柔性立管截面力学性能。理论方法将所有层分为圆柱壳和螺旋带,同时计入螺旋带局部弯曲和扭转影响,基于能量法给出各类层在轴对称载荷下的刚度矩阵,最终结合轴向力及扭矩平衡方程、相邻层间关系求解各层在轴对称载荷下的变形及层间接触压力。详细三维数值模型计入骨架层、抗压铠装层实际剖面形状及铺设角度,分别采用计入实际几何形状的螺旋结构和忽略剖面形状、铺设角度的圆柱壳结构模拟防摩擦层;为避免接触及几何非线性导致的计算不易收敛、计算时间过长等问题,采用ABAQUS/Explicit准静态方法和质量放大进行计算。以一类八层非粘结柔性立管为研究对象,分别采用理论和数值方法计算在轴对称和弯曲载荷下非粘结柔性立管截面力学性能,分析了螺旋带局部弯曲和扭转、防摩擦层模型、载荷方向、边界条件等对立管截面力学性能的影响,通过与试验结果、不同研究机构和学者给出的结果进行对比,验证了本文理论和数值方法的有效性。(2)采用计入实际剖面形状的数值方法研究了骨架层在均匀外压和对径压缩力下的压溃特性。分别采用计入铺设角度的螺旋模型和不计铺设角度的圆环模型模拟骨架层;分别采用粘结耦合、摩擦系数不为零的库伦摩擦和光滑摩擦模拟骨架层相邻表面间的接触作用。讨论了骨架层铺设角度、相邻表面间接触条件、材料非线性、初始椭圆度对骨架层失效特性的影响。通过将数值结果与理论值进行对比,分析了理论方法的适用范围。(3)采用数值方法研究了在轴向压缩载荷下非粘结柔性立管抗拉铠装层螺旋钢带的径向失效特性。将内部护套层简化为具有相同刚度的连接单元,同时计入抗拉铠装层所有螺旋钢带。以一类2.5英寸非粘结柔性立管在轴向压缩位移作用下为例,通过将简化数值模型得到的轴向抗压刚度与理论值、详细数值模型结果对比,验证了数值方法的有效性。在此基础上以一类6英寸非粘结柔性立管为研究对象,分析了抗拉铠装层螺旋钢带数目、摩擦系数、外部聚合物层厚度对非粘结柔性立管抗拉铠装层螺旋钢带径向失效特性的影响。