深海油气田水下生产系统装备之间的连接是深海工程领域的核心技术。深海环境压力高、洋流冲击大、能见度极差,实现水下生产系统装备之间的精准连接和可靠密封,是深海工程领域必须攻克的重大技术难题。目前深海连接器存在精准引导对中难、轴向预紧力大、金属密封的温度补偿能力不足等问题,针对现有不足,以深水卡爪式连接器为研究对象,开展水下精准对接、复合式密封技术、密封结构多目标优化、热-结构耦合分析等研究,探讨温度载荷对深水连接器密封性能的影响。为保证深水卡爪式连接器高效、快速的水下对接,应用平面投影原理,分析同轴度偏差量及角度偏斜量对精准连接的影响,提高连接器引导对中过程的精准适应性;为提高深海连接器密封结构对环境载荷的适应性,通过分析金属密封与橡胶密封的优缺点,提出复合式密封的方案,并求解该结构所需的液压缸推力;对密封结构的密封性能的相关参数进行研究,利用赫兹接触及垫片系数理论,分析透镜式密封的密封力学特性,并使用微观波峰被切系数描述透镜式密封圈球面的泄漏率,为进一步判断密封结构的密封性能提供依据。为提高深水卡爪式连接器的密封性能,分析密封性能与结构参数之间的关系,以法兰锥面倾角、密封圈球面半径为设计变量,以轴向预紧力及最大等效应力为目标函数,以最大接触应力为约束变量,建立了深水卡爪式连接器的多目标优化模型,使用响应面方法对其进行了优化;利用有限元分析软件对优化前的标准密封结构与优化后的密封结构进行数值模拟,对比在多种相同加载条件下优化前后的结构密封性能,同时对预紧状态、工作状态及1.5倍额定内压下的密封结构密封性能进行分析及研究;根据优化后的结构参数,求解深水卡爪式连接器密封结构的泄漏率。针对深水卡爪式连接器涉及的热传导、对流及热辐射问题,通过等效方法简化复杂传热方式,建立深水卡爪式连接器各部件之间海水层的传热模型;利用有限元软件对深水卡爪式连接器在额定温度载荷下的温度分布进行数值模拟,探求连接器的稳态温度场分布及密封性能;对深水卡爪式连接器在升温、降温等多种工况下的瞬态温度场进行数值模拟,分析温度变化对深水卡爪式连接器密封性能的影响。为得到深水卡爪式连接器在外力载荷及温度载荷共同作用时的密封性能变化,对其进行热–结构耦合应力分析。利用热应力函数、傅里叶定律、拉美公式和坐标系转换分别建立稳态温度场、瞬态导热过程、内压载荷及接触引起的三向应力数学模型,通过密封结构耦合应力算例将理论结果与仿真结果进行对比验证;对稳态及瞬态温度场下的升压、降压、压力冲击等工况进行数值模拟,分析热–结构耦合场中透镜式密封圈、法兰等零部件的应力及密封性能变化情况,为实际应用的风险预估提供理论依据。为验证理论分析及有限元数值模拟的正确性,对深水卡爪式连接器进行样机试验研究。设计等效试验装置,通过1:1的试件密封特性对比试验,证明优化后的密封结构具有更好的密封性能;通过连接器及安装工具的静水内压试验,研究连接器密封结构加载液压缸推力与轴向预紧力之间的比例关系;通过高压舱试验,验证复合式密封结构的密封性能;通过温度循环试验,对其升温及降温过程的温度变化、应变变化及保压能力进行测试,研究深水卡爪式连接器在温度与压力共同作用下的密封性能;在南海320 m水深的陆丰22-1弃置油田对深水卡爪式连接器样机进行海试试验,验证整体的工作性能。研制的深水卡爪式连接器采用优化的复合式密封结构,有良好的密封性能和水下对接能力,其研究成果对于提高其他深水连接系统的密封能力和水下对接效率有一定的借鉴,可有效促进我国深海水下生产系统连接技术的发展。