脐带缆作为水下生产系统重要组成之一,被誉为海洋油气开采的“神经线”,因此其安全性能至关重要。随着应用水深的增加,影响其可靠性的随机性因素越来越多,但是传统的设计理念和方法是基于安全系数的一种设计理念,未能充分考虑随机因素对其可靠性的影响。因此,本文综合考虑脐带缆内部各构件的结构参数的随机性分布对脐带缆力学性能的影响,并在此基础上对脐带缆进行可靠性分析与结构优化设计。本文通过OrcaFlex有限元分析软件建立了缓波型脐带缆模型,考虑波浪、海流和海底摩擦等环境载荷,分析脐带缆张力以及曲率沿长度的分布情况,并得到脐带缆张力的最大值与弯曲半径的最小值;通过局部力学分析得到极限拉伸载荷下脐带缆应力分布情况及各单元的最大应力。并基于失效准则分析脐带缆拉伸失效与弯曲失效机理,研究结果表明:脐带缆拉伸失效与弯曲失效均为钢管单元首先发生屈服。基于传统响应面方法提出一种基于切平面采样的改进响应面方法,该方法通过求解极限状态曲面在验算点处的切平面,以此切平面与验算点为基础在极限状态曲面附近选取样本点,并使用双变量和三变量功能函数将该方法与传统响应面方法的拟合过程进行对比验证,结果表明该方法具有较高的拟合效率。基于改进的响应面方法拟合出脐带缆拉伸失效极限状态函数,同时也构造了其弯曲失效极限状态函数,并计算出不同失效模式的失效率与对应的可靠度,此外,还分析了各结构参数对其失效率与可靠度的影响。以脐带缆可靠度为优化目标,建立多目标结构优化模型对脐带缆进行结构优化设计,研究结果表明结构优化后的脐带缆发生拉伸与弯曲失效的概率均有所降低。