人类对深海油气资源开采需求日益迫切,钢悬链立管(SCR)作为深海油气资源开发的关键装备之一,其整体形态和局部装置具有显著的非线性特征,在其设计、分析、安装和安全服役等方面存在诸多挑战。立管顶部应力接头是连接立管主体和平台的装置,是深海钢悬链立管的关键部位之一,为立管提供初始弯曲刚度和悬挂角,承受大交变张力和弯曲作用,易发生疲劳破坏,导致油气泄漏,进而危及整个采油系统的安全。该区域涉及管与接头的复杂接触作用,具有显著的状态非线性,应力接头区域是深海钢悬链立管数值分析的关键点和难点之一,亟待细化深入的研究。另外,深海立管占整个开采系统的成本随深度增加而显著增大,在确保结构安全可靠的前提下,对深海钢悬链立管进行降低成本的优化设计具有现实意义。海洋环境中的立管在材料、尺寸、载荷等方面具有随机性,由此导致的计算分析结果均具有不确定性,故传统确定性优化设计方案在实际工作状态中可能存在安全可靠度不足的问题,因此进行考虑随机性的优化设计对立管安全生产十分重要。研究基于深海钢悬链立管的整体动力分析对顶端应力接头进行深入的探讨,并对整体和局部模型进行随机性的优化设计,主要工作如下:1.海洋环境载荷下钢悬链立管的整体动力和疲劳分析利用解析和数值相结合的方法获得了钢悬链立管的整体初始静平衡形态,在静平衡形态的基础上对立管进行瞬态动力分析,和随后的疲劳分析。分析结果展现了钢悬链立管整体的薄弱点位于顶端悬挂区域和触地点附近区域。2.两种钢悬链立管顶端应力接头的疲劳寿命估算讨论了两种应力接头,即锥形应力接头(TSJ)和套管应力接头(SSJ)。将钢悬链立管整体动力分析得到的局部响应信号加载于接头局部模型上,对两种接头进行动力分析,根据多轴疲劳理论对其进行疲劳寿命估算。接头的参数分析展示了几何参数的改变对结构寿命的影响程度及趋势,为结构的优化设计提供参考。3.钢悬链立管的动力随机性优化设计研究探讨了钢悬链立管的动力随机性优化设计,运用单循环的可靠度优化方法降低了优化迭代次数,利用代理模型技术减少了优化过程中有限元程序的调用次数。所用的优化策略显著提高了运算效率,得到的优化设计方案在满足一定可靠度的前提下最大限度的降低了结构成本,科学的兼顾了立管经济性和安全性的双重需求,克服了传统确定性优化设计方案可靠度不足的问题。研究通过对深海钢悬链立管的整体分析,表明顶端接头为深海钢悬链立管结构的薄弱点之一;通过对两种顶端局部应力接头模型的深入分析研究,展示了其各自的力学特性;通过随机动力分析和随机动力优化设计研究,探索了对钢悬链立管进行高效,科学的分析设计方法,兼顾了经济性和安全性的要求,对工程设计具有参考意义。