随着海洋油气开采深度的不断增加,对水下生产系统装备的要求也更加严格,脐带缆作为海洋油气开采系统中不可或缺的装备之一,其为用来连接上部浮体与下部生产系统的缆线,为水下生产系统提供电能、控制信号以及液压和化学药剂。脐带缆是由光、电以及钢管等单元螺旋缠绕所构成的非粘接的复合结构形式。脐带缆在安装、储运以及在位运行的过程中受到功能荷载与环境荷载的作用,使得脐带缆内部各单元之间产生接触、摩擦和挤压等复杂的非线性问题。并且脐带缆在电能传输的过程中会产生大量的热量,使脐带缆内部的温度升高,影响到材料的力学性能,进一步影响到整个缆体的力学性能。因此,脐带缆在位运行时受到复杂的海况以及自身物理场的耦合作用,在多学科荷载的作用下使得对脐带缆的整体性能的设计与分析变的非常困难。由于我国深海油气的开采起步较晚,目前海洋油气开采装备的研发与生产正处于起步的阶段,尚不具备独立设计与生产脐带缆的能力。我国脐带缆应用来源主要依赖于进口,同时国外厂商实施脐带缆生产技术的垄断与封锁,从而对我国海洋油气的开采起到了严重的限制与约束作用。首先,本文针对国内外钢管脐带缆的设计与分析方法展开了系统的调研和总结,初步掌握脐带缆在功能荷载下的失效模式,并依据相应的失效模式提出了关键受力构件如铠装钢丝、填充和液压管道的设计与分析方法。同时针对现有理论分析方法的不足,提出了半数值分析方法更精确地求解脐带缆拉弯能力曲线。其次,考虑到工作中电缆所释放热量会对截面材料以及力学性能产生影响,文中利用解析分析和数值模型分别分析了温度对截面力学性能的影响以及一定传输功率下截面温度分布的特征。同时通过引入耦合分析方法对脐带缆截面径向力学性能进行了分析,发现温度对截面径向刚度的影响高达83.1%。最后,基于脐带缆规范中的截面设计对称性与紧凑性准则,提出相应量化指标并给出理论设计方法,同时,针对脐带缆在位运行时所涉及到多学科荷载进行研究,应用理论与数值结合的分析方法对其进行温度场分析,提出简化的温度场优化方法。然后建立力学性能与热场分析的多学科优化设计框架,编制相应优化程序求得多目标最优解集,根据实际工程经验给出最优截面布局,其设计结果与初始设计值对比有显著的提升。充分验证了整个优化设计策略的高效性和可行性,为脐带缆设计提供了有意的参考。本论文的研究工作属于国家863专项课题“水下生产系统脐带缆关键技术研究Ⅱ期”(2014AA09A224-2)中的重要组成部分。