随着陆地石油气资源储量日渐减少,海洋石油气的开发成为世界各国新的关注点。管道运输是海洋油气运输的主要方式,海底管道的铺设技术和设备对海洋油气开发具有重要意义。软管铺设是一种先进管道铺设方式,特点为铺设速度快、成本低、安全性高,目前我国在海洋软管铺设方面与国际先进水平存在较大的差距。本课题的任务目标为通过研究分析国外成熟的软管铺设技术和设备,对软管铺设系统的总体方案和主要设备进行设计,为我国打破技术封锁,设计制造拥有自主知识产权的软管铺设系统打下基础。本文首先通过查阅国内外海底管道铺设技术文献,介绍了各种常见管道铺设方法的特点和适用范围,分析了国外先进铺管船和软管铺设系统的性能参数,总结了国内软管铺设技术和设备的研究现状,并结合国外成熟软管铺设系统参数确定了软管铺设系统的设计要求。介绍了张紧器、A&R绞车、角度调整机构等关键设备的功能、结构形式,并分析了软管铺设的工作原理和过程。介绍了海洋柔性管道的结构和性能特点,并列举了不同直径软管的性能参数。采用悬链线法理论计算了软管铺设时所需张紧力与管道浮重度、铺设深度和铺设角度的关系。分析和选取了软管铺设系统的安装位置和张紧器、曲率调整轮、悬挂夹具等主要设备的结构形式。设计了软管铺设系统总体结构方案并建立了软管铺设系统的三维模型。根据铺设系统的功能,选定了铺设塔架、张紧器支架、角度调整机构、悬挂夹具等设备的结构形式,并通过对各关键部位的受力情况进行分析计算确定了关键受力部件的材料和尺寸参数。对曲率调整轮、塔顶滑轮组等辅助结构进行了结构设计和三维建模。采用ANSYS有限元分析的方式对各铺设塔架、悬挂夹具、张紧器支架和角度调整机构进行了受力分析和强度校核,得到了在静载荷下的应力和变形云图,验证了软管铺设系统关键构件的强度满足安全性要求,且留有充分的余量。根据凯恩方程和拉格朗日乘子法建立了软管铺设系统的动力学和运动方程,并给出了通过Gear预估-校正求得其数值解的方法。推导了特定运动规律下张紧器位置调整和铺设塔架角度调整过程中液压缸的驱动力的表达式,并代入模型质量和几何参数求得了驱动力的变化曲线。通过ADAMS和MATLAB搭建反馈控制回路对上述过程进行了联合仿真,得到的结果验证了理论计算的正确性。结合具体的铺管船参数和海况条件,计算了四级海况下铺管船的摇荡周期和幅度,并得到了横摇、纵摇和垂荡的运动方程。在ADAMS中建立了海况模拟平台和软管铺设系统的力学模型,进行了动力学仿真,得到了执行角度调整、张紧器位置调整、管道铺设和收弃管操作时关键受力节点在有无波浪影响条件下的受力最大值和变化曲线,得出了系统的强度满足设计要求的结论。