脐带缆是深海油气开发的关键装备之一,被视为水下生产系统的“神经线”。动态应用时,服役的环境荷载和浮体运动往往比较恶劣,需要进行严格的抗疲劳分析,确保其服役寿命内安全运行。目前脐带缆结构设计仍以安全系数为基础,未充分考虑随机因素的影响,而脐带缆应用环境的特殊性使得随机性因素的影响不可忽略。因此本文将抗疲劳性能与疲劳可靠性分析引入到脐带缆设计过程中,从整体和截面两方面分别展开研究,完善了现有的脐带缆设计方法。为保证结构安全及功能实现,脐带缆整体上往往呈现特定的线型。本文针对工程上经典的缓波式线型,提出了脐带缆抗疲劳线型优化设计方法。应用代理模型方法以高精度、计算量小的数学模型替代原本高度非线性的有限元模型,得到了以线型控制参数为设计变量,整体线型长度与疲劳响应为目标函数的脐带缆抗疲劳线型优化设计模型。并针对脐带缆整体疲劳寿命计算中工况繁多导致的海量计算问题,引入疲劳工况筛选技术,得到了兼顾抗疲劳性能与经济成本的脐带缆整体线型设计方案。脐带缆是由钢管、光纤、电缆以及加强铠装等多构件螺旋缠绕组成的复杂结构,对局部截面组成构件的优化设计是提高脐带缆结构抗疲劳性能的另一条可能途径。本文针对脐带缆的主要功能与结构构件“钢管”,考虑其尺寸与力学性能的不确定性,同时引入疲劳计算准则的不确定性,分析了在位运行工况下脐带缆截面的疲劳可靠性。此外,进行了不确定性参量的灵敏度计算,分析了其对疲劳可靠性的影响规律。最后,本文依托十二五“863”国家高科技研究发展计划,以南海某脐带缆结构为例,应用上述方法对脐带缆进行了抗疲劳线型优化设计与截面疲劳可靠性分析,验证了本文提出方法的有效性与必要性,对比该方法相对于传统安全系数设计方法的优势。为高性能水下生产系统脐带缆的结构设计提供了新的设计理论和技术手段。