海洋浮式结构物的定位技术是海洋资源开发的关键技术。随着海洋油气资源开发不断向深水和超深水海域挺进,绷紧式系泊系统成为备受青睐的定位方式。然而合成纤维缆绳具有复杂的力学性能,有别于钢链和钢缆,因此针对合成纤维缆绳进行实验研究和理论模型开发具有重要的工程意义和学术价值。此外,由于系缆的差异将导致系泊系统的响应发生变化,因此在深入把握合成纤维缆绳力学性能的基础上,探究系缆力学性能演变对绷紧式系泊系统动力响应的影响也备受海洋工程界的关注。为了保障系泊系统安全可靠地运行,本文围绕合成纤维系缆的复杂力学性能和其对系泊系统响应的影响这两个重要专题开展了研究。首先,设计研发了合成纤维缆绳实验设备,并提出了合成纤维缆绳的实验技术和标准实验流程,特别是对缆绳接头处理技术(环眼插编法)进行了详细说明。以此为基础,为了深入地把握合成纤维缆绳的力学特性,分别研究了损伤纤维缆绳的动刚度演变,高强聚乙烯(HMPE)缆绳的蠕变和蠕变-破断性能,高强聚乙烯缆绳疲劳性能以及缆绳的磨合(Bedding-in)标准流程。(1)通过研究损伤合成纤维系缆的动刚度演变,发现缆绳的损伤度、平均张力、应变幅值和循环载荷周次都对缆绳的动刚度有影响。因此,基于量纲分析的方法,提出了综合考虑这四种影响因素的动刚度经验公式,发现此动刚度经验公式所得的计算值与对应的实验值吻合度很好,并可以利用小尺寸受损缆绳动刚度推测较大尺寸受损缆绳的动刚度。(2)通过高强聚乙烯子缆蠕变和蠕变-破断的实验研究可知,高强聚乙烯试样的蠕变-破断曲线存在三个阶段,并提出了可以计算高强聚乙烯缆绳第二阶段蠕变率的经验公式,以用于缆绳蠕变量的估算。此外,还提出了一经验公式用于计算高强聚乙烯缆绳在定常载荷下的蠕变寿命。(3)对高强聚乙烯缆绳开展了系统的疲劳实验研究,考察了平均张力和张力幅值对疲劳寿命的影响,给出了缆绳整个寿命周期下的张力-时间、应变-时间、张力-应变和动刚度演变曲线,发现高强聚乙烯缆绳疲劳破坏的平均应变约为7%,并对获得的实验数据进行了分析,首次提出了提出了考虑平均张力和张力幅值影响的疲劳寿命计算公式。(4)通过系统地实验研究,提出了采用合成纤维缆绳张力-应变曲线的斜率作为缆绳磨合程度的量化指标,并提出了前期加载为循环载荷时,合成纤维缆绳磨合程度的计算公式,统一了所有纤维缆绳实验规范对缆绳磨合的认识。根据合成纤维缆绳磨合所施加的力载荷范围和载荷周次不宜过大、时间不宜过长等原则,建议了合成纤维缆绳的磨合流程。该研究有助于准确定义缆绳的载荷历史,同时有助于准确获得缆绳初期加载对力学特性的影响。其次,为了刻画合成纤维缆绳蠕变-破断行为,从热力学框架出发,建立了粘弹性和损伤耦合的本构模型,并详细地介绍了模型参数的确定方法,该方法可用于合成纤维缆绳任一组分(比如纤维、纱线、子缆和缆绳)的参数确定。研究表明所提出的蠕变-破断模型采用少量短期的实验数据即可标定模型参数,然后可以高效地预测在其他载荷水平下合成纤维缆绳全寿命周期的蠕变-破断响应。总体来说,模型预测结果与实测结果吻合度较高。此外,为了更加准确地刻画合成纤维缆绳的力学特性,特别是为了更好地刻画合成纤维缆绳在复杂载荷条件下的力学行为,建立了粘弹性、粘塑性以及损伤相耦合的本构模型,并采用新的蠕变-破断实验数据验证了新模型的准确性和可靠性。最后,基于系泊缆绳力学特性的认识和把握,提出了一新型混合缆。为了考察该混合系缆的可行性,采用钢链-高强聚乙烯缆绳-聚酯缆绳-钢链所组成的新型绷紧式系泊系统开展了动力响应和疲劳分析,并将所得的数值结果与采用钢链-聚酯缆绳-钢链所组成的传统绷紧式系泊系统进行了比较,发现新型绷紧式系泊系统可以有效地减小浮式平台的偏移量,但是需要注意调整高强聚乙烯缆绳和聚酯缆绳的长度比例,设计出适宜的系泊刚度,以防止产生过大的载荷范围。这些工作对于将混合系缆应用于深水和超深水系泊具有重要的意义。