目前,世界各国普遍采用海底管道作为海洋油气资源的主要输送方式。然而,与陆地铺管不同,复杂海洋环境下的水下铺管作业在极大程度上依赖铺设装备。随着世界范围内海洋油气资源开发力度的不断加大,海底管道铺设装备的作用显得愈加重要。欧美国家在海底管道铺设技术装备领域居于世界领先地位,而我国在理论研究及工程实际方面都存在明显的差距。对柔性海底管道铺设系统关键技术及装备进行理论及工程化研究对于打破国外技术封锁、提升我国海工装备技术水平具有重要的意义。论文对柔性海底管道专用铺设装备的整体动力学性能及驱动控制方法进行研究,以解决海洋作业环境下铺设系统对管道运动状态及张力的控制问题,主要内容包括:概述了海底管道铺设技术及装备,并重点介绍了柔性海底管道及其铺设系统。提出了论文重点研究内容,主要包括:整体铺设系统的动力学性能研究,阻尼铺管工况下具有动力制动功能的旋转驱动技术研究以及海洋作业环境下系统的补偿控制研究。对各相关领域的研究现状、不足及可借鉴的经验进行了综述。以整体铺设系统为研究对象,利用刚性有限元方法对柔性海底管道及刚性铺设装备进行了离散和转化,建立了广义的柔性海底管道铺设系统刚柔耦合多体运动链简化模型。建立了关节坐标系来描述多体系统运动链拓扑结构,并定义了各部件的局部、全局齐次坐标变换矩阵。选择部件连体坐标的位置参数及方向参数为广义坐标,定义了一般部件的拉格朗日算子、重力势能导数以及广义力,建立了部件的第二类拉格朗日方程通式。将广义坐标、拉格朗日算子、重力势能导数及广义力等定义为矢量,构造分块矩阵并对全部部件求和,建立了整体铺设系统的第二类拉格朗日方程组,完成了对柔性海底管道铺设系统的动力学建模。针对所建立的动力学模型,利用MATLAB编制了方程求解程序。给出了柔性海底管道铺设系统的一般模型参数、管道材料特性参数、铺管船运动参数等动力学方程求解条件。进行了初始铺管分析及静平衡分析,研究了系统的驱动性能以及铺设参数和管道参数等对管道张力、弯矩的影响。进行了理想工况铺管分析,获得了系统铺管速度及管道弯矩、张力的稳定值。分别针对铺管船的六自由度空间运动进行了实际工况铺管分析,获得了对铺管速度及管道张力、弯矩等指标影响最为显著的扰动项。针对该扰动项,取不同的峰值及周期参数进行相同分析,研究了扰动影响程度。介绍了柔性海底管道铺设系统的作业过程并提出了系统主要装备的机械结构,包括铺设塔及其倾角调整系统、储管滚筒旋转驱动系统以及旋转驱动系统的垂向、横向、纵向位置调整装置。重点对其中的纵向行走装置进行了研究。提出了在模拟尺蠖蠕动基础上增加了交替拖曳功能的行走运动方法,并设计了相应的机械结构及液压驱动系统。对装置蠕动爬行、交替拖曳的运动过程及各部件运动速度进行了分析,建立了以机架行走速度最大为目标、以液压系统流量限制为约束条件的优化数学模型,对行走装置垂向及纵向运动时间进行了优化。在动力学分析基础之上,根据柔性海底管道铺设系统正式铺管作业阶段的不同驱动要求,提出了储管滚筒旋转驱动系统的驱动及控制原理。设计了具有动力制动功能的液压驱动系统,该系统同时可实现对管道重力势能的吸收、转换和耗散。利用MATLAB建立了包括机械传动部件及液压动力元件的旋转驱动系统仿真模型,并设计了模糊控制系统,引入动力学分析中获得的张力波动曲线进行仿真分析,研究了系统的驱动及张力补偿效果。设计并制造了柔性海底管道铺设系统主要装备的样机,并搭建了模拟管道重量及铺管船运动的陆地试验系统。分别模拟初始铺管工况、理想无扰动工况以及位移扰动作用工况,对旋转驱动系统进行了恒阻尼力矩铺管试验以及张力补偿铺管试验。对动力学分析结论、旋转驱动系统的驱动、动力制动性能及控制系统的张力补偿性能进行了验证。参照储管滚筒旋转驱动系统纵向行走装置运动速度优化结论调定行走液压系统流量,对装置运动过程及运动速度进行了试验验证。论文利用刚性有限元方法和第二类拉格朗日方程建立了柔性海底管道铺设系统动力学模型;设计了具有动力制动及吸收耗散负载功的液压旋转驱动系统,并设计了可实现张力补偿的驱动控制系统;研制了国内首台柔性海底管道铺设系统主要装备样机并进行了陆地模拟试验。为海底管道铺设技术装备的研究提供了一些有价值的参考。