水下管道维修装备，尤其是水下管道切割机具，是管道维修系统的重要组成部分，其种类繁多，主要有闸刀具、绳锯机和坡口机等。我国现有的水下管道维修装备存在功能单一、可靠性低、作业水深浅的性能缺陷。本文在国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”的支持下开展对水下管道维修机具的研究。本文主要的研究内容包括：设计水下管道维修机具的总体结构方案。在参考国内外研究现状的基础上，提出机具作业功能与原理。基于模块化设计思想，提出了总体的设计方案，包括总体框架、管道作业机构、夹持机构、液压系统和浮力平衡机构。设计每个模块的结构方案，建立机具的三维模型。建立机具铣削切割过程的数学模型。根据机具作业原理，确定机具作业过程的基本运动。基于车铣原理，建立机具铣削切割过程的数学模型，描述机具刀盘作业刀具的动力学行为。推导出铣刀单个圆周刃理想运动矢量方程、单个圆周刃偏心运动矢量方程以及多圆周刃运动矢量方程。推导出动态铣削厚度和铣削深度方程，优化切入角和切出角的计算方法，推导出单个圆周刃瞬时动态铣削力方程、铣刀一个周期内数值合成铣削力方程、铣刀一个周期内矢量合成铣削力方程以及铣削切割功率方程。仿真机具铣削切割过程，优化选择工艺参数。根据铣刀圆周刃运动矢量方程，在Pro/E中编程仿真，研究方程中各个参数对圆周刃轨迹的影响和圆周刃轨迹与管道的相对位置关系。基于最优化原理，建立优化铣削切割过程的数学模型。以刀具耐用度、铣削用量等为约束条件，优化选择刀具参数和作业参数。根据铣刀圆周刃铣削力方程，在Matlab中编程仿真，研究单个圆周刃瞬时动态铣削力、铣刀一个周期内数值合成铣削力和矢量合成铣削力的变化规律，得出各自的极值、均值和变化周期。分析铣刀的静力特性与模态。铣刀数值合成铣削力最大时工况最为恶劣，在HyperWorks中仿真，分析铣刀此时的应力分布及位移变形状况，检验铣刀的强度与刚度。根据实际工况，在Abaqus中仿真分析铣刀的模态，求解出铣刀前八阶的固有频率与振型。计算施加给铣刀的激励频率，并与前八阶固有频率对比，分析铣刀是否会发生共振。