海洋油气资源开发不断迈向深海、超深海领域,恶劣的海洋环境使得油气开采面临诸多挑战,也对开采装备提出了更高要求。非粘结柔性管凭借其特殊的结构型式、优越的力学性能,在国际海洋油气资源开发中的占据重要位置,自其问世后学术界和工程界对其一直相当关注。当前我国深水柔性管设计、生产及应用基本依赖进口,价格昂贵且供货周期较长,严重制约我国深水油气资源开发进程。因此开展柔性管力学特性分析及典型失效研究,对实现柔性管生产国产化、突破这一深海油气资源开发“卡脖子”技术、提升我国海洋装备研发能力具有重要价值,同时在学术研究上,也为柔性管的力学特性分析及典型失效评估提供有益参考。本文在系统地总结柔性管国内外研究现状基础上,以理论及数值分析为主要研究手段,针对柔性管在轴对称荷载和弯曲荷载下的截面力学特性、压溃失效问题及柔性立管疲劳失效进行深入研究,主要工作有以下几个方面:1)柔性管截面力学特性理论分析计算。轴对称载荷方面,根据各管层材质及结构型式将柔性管所有管层分为聚合物层、互锁金属铠装层和抗拉铠装层,基于功能原理推导了各类管层在轴向拉力、扭矩及内外压作用下的平衡方程并组装成柔性管整体平衡方程;弯曲载荷方面,分析了无滑移及滑移阶段的柔性管抗拉铠装层螺旋钢带的力学平衡特性,并给出了不同弯曲阶段的柔性管弯矩及弯曲刚度表达式,为后文柔性管简化数值模型建立及不同载荷条件下的截面力学特性分析提供理论基础。2)柔性管简化数值分析模型建立及不同载荷下的截面力学特性研究。建立了骨架层和抗压铠装层的三维精细化数值模型并分析其在不同载荷条件下的力学性能,提出了根据刚度等效原则将柔性管内四层(骨架层、内护套层、抗压铠装层和防摩擦层)等效为一层具有正交各向异性材料特性的圆筒结构的计算方法并对其进行了验证;同时考虑到柔性管定制化设计的工业应用实际和方便开展研究,编制了柔性管参数化建模程序及开发图形用户界面(GUI)用于提高柔性管建模效率;基于所建模型,开展了在轴对称载荷、弯曲载荷及组合载荷条件下的柔性管截面力学特性系统研究,通过对比实验所得的管道等效刚度及抗拉层钢带应变值验证柔性管数值模型的有效性,并重点分析了在不同边界条件、不同载荷耦合作用下的柔性管力学响应,为柔性管力学性能分析及优化设计提供参考。3)柔性管临界压溃载荷等效计算及压溃影响因素分析。针对柔性管典型压溃失效,提出一种柔性管骨架层等效厚度计算方法,此方法可以考虑骨架层内部钢带间及与相邻内护套层间实际接触特性,同时计及管层间的配合关系,可以方便求得骨架层等效厚度并用于临界压溃载荷求解;基于等效后的骨架层几何参数建立了包含骨架层及内护套层的二维柔性管压溃数值模型,计算临界压溃载荷并与三维数值模型求得的结果进行对比,验证等效方法及二维数值模型的有效性;基于所验证的柔性管压溃数值模型,利用弧长法进行柔性管非线性压溃的影响因素参数化分析,分析了柔性管在不同初始缺陷型式、初始椭圆度、骨架层材料弹塑性及外部层限制作用下的压溃特性及后屈曲行为,为柔性管的临界压溃载荷计算及抗压溃设计提供依据。4)柔性立管整体静力、动力特性分析及疲劳寿命评估。基于Sesam/Sima建立了包含浮式平台、系泊系统及柔性立管的整体耦合分析模型,分析了缓波型柔性立管线型布局及张力、曲率沿管长分布特性;探究了不同浮力段浮力因子、长度、起始点位置对立管线型、张力及曲率分布的影响;基于实际海域参数,考虑波浪、海流及上部平台运动,对立管进行非线性时域动力响应计算,得到立管热点处的载荷响应时程;并结合本文所提出的柔性管截面分析简化数值模型,得到柔性管抗拉层应力响应时程,基于S-N曲线和Miner线性累计损伤理论,计算立管不同抗拉层的疲劳寿命,形成了一套柔性立管疲劳寿命的评估方法,为柔性立管的选型设计及疲劳寿命评估提供支撑。