脐带缆作为水下油气资源生产系统的关键设备,具有显著的力学非线性特性和随机性特征。随着海洋油气开发不断走向深水,水下脐带缆在设计、分析、安装和运行中面临诸多挑战。首先,水深增加导致动态脐带缆顶张力较大,需布置浮力块来减缓其顶部张力,而不同的浮力块布置方式会影响脐带缆的整体构型。为保证结构的安全性和经济性,需要对浮力块布置方式进行优化。同时,铺设在海床上的静态脐带缆在海洋环境载荷作用下容易发生较大位移而致使脐带缆失稳破坏,这将导致油气生产系统的失效、油气泄漏等事故。此外,脐带缆顶端需要安装弯曲加强器防止脐带缆过于弯曲而破坏,但弯曲加强器会承受大交变载荷作用以及环境腐蚀,容易发生疲劳破坏。在脐带缆结构分析中存在不确定性因素对分析结果的影响,如结构的几何尺寸、材料特性、环境载荷等具有随机性,这使得原有设计可能失效。所以对脐带缆分析时考虑不确定性因素的影响对提高其安全性置关重要。为保证结构系统安全可靠,亟待对脐带缆结构进行海床稳定可靠性分析和疲劳可靠性优化设计。本文针对上述动态脐带缆浮块设置处、位于海床段静态脐带缆、脐带缆顶部与平台连接部位这三个关键位置,进行动力响应分析与弯曲加强器疲劳可靠性相关的分析研究,并考虑结构分析中不确定性随机因素的影响,主要工作如下:1.脐带缆浮力块布置多目标优化设计考虑环境载荷的作用对脐带缆进行整体动力分析,分析不同浮力块布置方式和不同波浪、流的参数对脐带缆整体动力特性的影响。然后对脐带缆浮力块布置方式进行优化分析,优化采用近似模型技术减少动力分析的计算量。利用基于直觉模糊集的多重属性决策方法,从Pareto解集中选取最佳的折衷解。优化结果表明近似模型技术可以有效提高多目标优化的效率,减少计算量同时保证精度;多重属性决策方法能有效快速地选取最佳的优化结果。2.脐带缆动力稳定性的可靠度分析考虑海底脐带缆稳定性分析中不确定性因素的影响,提出海底脐带缆动力稳定性的可靠度分析方法。采用动力稳定性分析方法分析管线的稳定性,水动力载荷采用Fourier系数模型方法计算,基于近似模型技术利用Monte Carlo仿真对稳定性进行可靠度评估。对影响稳定性的参数进行敏感性分析,讨论了各参数对稳定性可靠度的影响,分析结果可为脐带缆稳定性设计提供参考。3.脐带缆弯曲加强器的疲劳可靠性优化考虑不确定性因素对结构疲劳分析的影响,提出基于近似模型的疲劳可靠性优化的方法。考虑疲劳概率性的约束,对弯曲加强器进行优化设计。弯曲加强器的疲劳分析采用从整体到局部分析的思路,并对弯曲加强器疲劳性能进行敏感性分析和交互效应分析,讨论了各个参数对弯曲加强器疲劳性能的影响。可靠性优化采用单循环的方法降低了迭代次数;采用近似模型技术,有效提高疲劳可靠性优化的计算效率。分析结果表明疲劳可靠性优化方法考虑设计参数的随机性影响,相比传统的确定性优化设计,能更好更合理地兼顾经济性和安全性方面的要求。