近年来,海上钻孔和石油天然气生产技术获得了突飞猛进的发展。水下生产系统成为开采和利用深海油气资源的关键技术。本文以深海水下管汇主结构这一水下生产系统核心构件为主要研究对象,对水下管汇主结构工作载荷及许用应力校核、主结构静力学分析、撞击载荷下水下管汇动力学响应、基于随机有限元的可靠性分析、随机变量敏感性分析、钢构件撞击损伤、含撞击损伤的主结构可靠性分析进行了细致地研究。本文主要研究内容和结论可总结为以下几方面:(1)对水下管汇各构件存在的问题及优缺点进行简要分析。以南海某一油气田实际数据为设计参数,根据规范设计了双集管双井槽生产管汇主结构。建立了管汇主结构有限元模型,并进行了拖航、吊装和在位三个工况下的静力学分析。(2)以双集管双井槽生产管汇为研究对象,基于双线性随动强化模型建立水下管汇撞击有限元分析模型,并将管汇管系与管汇主结构作为整体分析其在船锚坠落撞击中的动响应过程。基于LS-DYNA求解器分析不同厚度防护板及撞击角度下水下管汇的动响应过程,研究了落物撞击对框架主结构和管系的影响。(3)采用随机有限元方法研究复杂工况下水下管汇主结构的可靠性特性。基于拉丁超立方抽样的蒙特卡洛方法,对不同随机变量进行取点计算,研究不同工况下水下管汇主结构可靠性,并对各个随机变量进行参数灵敏度分析。并在满足可靠性的前提下,进行水下管汇主结构优化。(4)基于X-W延性损伤起始准则,确定了撞击构件材料应力的软化路径,计算了撞击构件在洋流载荷服从均匀分布(工况一)和洋流载荷服从正态分布(工况二)下的应力极限状态函数和位移极限状态函数。最后基于含撞击损伤的水下管汇主结构可靠性计算结果,分析了工况一和工况二下撞击构件的应力极限状态函数的随机变量敏感性。