海底管道作为海上石油平台和泊油船与陆地油气库之间的连接通道,其安全性倍受各国关注。为了防止海洋自然因素、船舶锚具及渔船拖网等对海底管道造成的巨大危害,需要对海底管道进行防护及固定,通常采用挖沟埋设的方法。海底犁式挖沟机是一种广泛应用于海底管道挖沟埋设领域的作业装备。研制具有自主知识产权的海底犁式挖沟机,对于我国海底管道挖沟埋设技术水平的提升具有重要的意义。本文着重研究海底犁式挖沟机犁体曲面的建模方法、犁体裂解海底土壤受力分析方法、犁体曲面优化方法以及挖沟机牵引力的计算与仿真方法,并针对海底挖沟作业系统,分析工程船和拖缆对挖沟机牵引路径和运动响应的控制。本文首先研究了犁体曲面的建模方法。采用水平直元线法建立犁体主切削面和翻抛曲面的数学解析方程及三维模型,对海底犁式挖沟机犁体曲面裂解翻抛海底土壤的过程进行了分析。根据工作面上土壤微元的运动机理,建立了犁体曲面的土迹线方程和犁体裂解土壤的动力学方程,得到了犁体牵引力的理论计算方法。分别对翻抛曲面曲率对土壤沿犁体曲面翻抛的法向力及切向力的影响和摩擦系数、土壤粘聚力和内摩擦角对主切削面受力的影响进行了讨论。采用多目标遗传算法对犁体曲面进行了优化研究。针对一定的土壤工作环境,以犁体曲面的最小受力及最小工作面积作为目标函数,优化了犁体主切削面的设计参数(入土角和面角)及翻抛曲面的设计参数(元线角差值、导曲线安装角、切线夹角、开度)。根据PARETO解集选择符合设计要求的优化结果,采用高斯曲率的标准差评价优化后的翻抛曲面的光顺性,可实现减少牵引消耗及节约加工材料的目的。对海底犁式挖沟机的犁体裂解土壤过程及挖沟机牵引力计算方法进行了研究。基于线性DRUCKER-PRAGER塑性屈服准则的土壤弹塑性本构方程,结合一阶线性水波确定的海底土壤动压力方程,建立了海底土壤、海流、犁体相互作用的动力学方程及仿真模型。为了保证计算的收敛性,采用光滑粒子流体动力学法和欧拉-拉格朗日耦合法求解该仿真模型。基于挖沟机动力学方程,利用犁体牵引力的仿真结果,计算了挖沟机牵引力及行走机构的支撑力。对比挖沟机牵引力的试验结果,验证了采用光滑粒子流体动力学法计算挖沟机牵引力的可行性,并讨论了人工粘度对仿真结果的影响。基于犁体牵引力的仿真结果,分析了犁体安装位置对沟型的影响。结合海底环境情况,讨论了海流、海底土壤物理力学参数(土壤弹性模量、不排水剪切强度、摩擦角)、海底复杂地貌(余弦波及侧斜海底地貌)、海底冲击载荷对犁体牵引力、行走机构支撑力和挖沟机牵引力的影响。研究了海底犁式挖沟机海底作业路径控制方法。基于质量-弹簧-阻尼机械系统的建模方法,建立了三自由度工程船、拖缆、犁式挖沟机的动力学模型。采用三次样条插值方法拟合挖沟机运行的工作路径,得到了挖沟机所需的位移、速度、加速度以及工程船的参考路径。为确保挖沟机沿着海底管道进行挖沟作业,采用滑模控制方法和PID控制方法对工程船的舵角和路径进行了控制。根据拖缆在挖沟作业中的弹性力学特性,确定了挖沟机在工程船驱动下的运动输出响应、拖缆单元的伸长量和受力情况。设计并制造了海底犁式挖沟机的试验样机。设计了海底犁式挖沟机陆地试验系统。对陆地试验场地土壤进行土工试验以计算挖沟机的牵引力。进行了犁体开合、管道导向、挖沟机转向、挖沟深度调节的联调试验。试验结果验证了本文提出的犁体优化设计方法及挖沟机牵引力理论计算和数值仿真方法的可行性。本文的研究成果为海底犁式挖沟机工程样机的设计提供了理论基础,为后续的海底犁式挖沟机的海底试验提供了宝贵的操作经验,同时为我国海底管道挖沟埋设技术的深入研究开阔了思路。