随着世界经济的高速发展,对海洋资源开发和利用已经成为了世界各国的必然趋势,向深海进军的步伐已经迈开,世界上浮式生产平台的最大作业水深已达2895米。与此同时,对于浮式生产平台至关重要的系泊系统也逐渐从传统的悬链线式向新型的张紧式转变。在水深超过1000米的区域,张紧式系泊系统在各方面明显优于悬链线式系泊系统,其成本低,其自身重量轻,水平回复力大,定位能力强,并且系泊半径小。然而,海洋浮式平台数量急剧增长的同时,事故也变得频发,许多事故都是由于系泊缆或系泊系统失效所导致的,部分事故造成了严重的损失。事故的原因主要为导缆孔处锚链断裂、底链处锚链扭结断裂、产生海底沟槽造成锚基失效以及合成缆材料的断裂等。底链附近的问题以及海底沟槽等现象很早就出现过,然而并未引起人们的重视。近年来链土作用问题出现得更加频繁,造成的损失变得巨大,逐渐引起人们的重视。张紧式系泊的链土作用与悬链线系泊中的作用机理存在本质的区别,工业界对此知之甚少,学术界的研究仍处于起步阶段,因此需要进行进一步探索。为了更好的理解锚链与海底土壤的相互作用过程,探究其作用机理,本论文开展了张紧式系泊缆与海底砂土相互作用的模型试验。推导了链-土作用中的相似关系,初步建立了海洋工程领域系泊缆与砂土相互作用的试验体系。试验包括整根系泊缆在深水池中的动力响应试验和局部系泊缆的模型试验。通过对试验数据的分析以及对试验中锚链与砂土相互作用的过程进行观测,探究了张紧式系泊缆中链土作用的机理。提出了弹塑性土壤力模型,并开发了一套完整可靠的土壤力计算方法,实现了对从锚基到浮体的整根系泊缆的动力响应计算。国际上首次发现了“棘轮效应”现象,即:系泊缆顶部的保持相同的循环运动时,土壤中的锚链长度变短,与水平方向上的倾角减小,反悬链线曲率变小,水中的系泊缆长度变长,与此同时,系泊缆中的拉力逐渐降低。提出了弹性边界法以快速预报经过棘轮效应后张紧式系泊缆的形态和力的特性。对比了不同的张紧式系泊缆简化模型计算结果,给出了简化模型选取的具体建议。近年来,随着材料工程领域的技术发展,合成缆(如聚酯缆等)材料在系泊系统中的应用越来越广泛。2005年聚酯缆首次在Spar平台的张紧式系泊中成功应用后,被迅速推广,此后新设计建造的Spar平台都采用了合成缆作为张紧式系泊缆的中间段。目前作业水深最深的Turritella FPSO在张紧式系泊中也采用了合成缆。合成缆的力学特性、破坏机理十分复杂,难以准确的预报此类缆索的动力响应直接影响了工程中对于张紧式系泊工作状态的评估,这也是部分系泊事故的原因所在。如何准确的表达此类材料的力学特性一直是材料工程学科的研究热点之一。对于海洋工程领域,如何准确地预报合成缆的系泊系统动力响应也是关系到系泊系统安全性的重要因素之一。为了解决该问题,文中通过理论推导得到了材料非线性拉伸的本构关系,建立了缆单元的粘弹性物理模型,克服了大变形情况下系泊缆材料非线性、粘弹性的计算难题。通过与文献中实验结果进行对比,得到了数值计算模型中所需要的材料线性系数、非线性系数及粘弹性阻尼系数。通过采用六种不同的系泊缆配置以研究合成缆的非线性、粘弹性等特性对系泊缆动力响应的影响,结果表明材料的粘弹性会增加系泊缆的波频响应和粘弹性能量耗散,而非线性材料可以增加系泊缆的顺应性。对比研究了聚酯缆、HMPE缆和Aramid缆的非线性和粘弹性区别,研究了分别采用三种缆的系泊动力特性区别。传统观念认为系泊系统对浮式平台的作用仅仅为提供相应的水平回复力,而研究中发现系泊系统除了可以提供水平回复力外,还可以为系统提供低频阻尼,即系泊阻尼。目前对于系泊阻尼的研究主要集中在悬链线式系泊系统,而少有涉及张紧式系泊系统。本文中改进了系泊阻尼的计算方法,通过动态计算得到系泊缆单元的运动和力,从而避免了在此部分引入假设,保证了计算精度。文中对张紧式系泊缆的阻尼进行了深入且系统的研究,对比分析了全水深系泊缆和截断系泊缆的阻尼特性和区别;研究了张紧式系泊缆的水动力阻尼特性以及土壤阻尼特性;得到了水动力阻尼和土壤阻尼随系泊缆导缆孔运动的幅值和周期变化的规律;通过对合成缆材料的阻尼系数进行参数敏感性研究。结果表明在大部分情况下,系泊缆的水动力阻尼占主要成分,粘弹性阻尼次之,土壤力导致的阻尼所占的比例最小。但是对于某些材料,其粘弹性阻尼可能会超过系泊缆的水动力阻尼。本文最后部分针对中国南海的海况条件,对一艘多点系泊的FPSO进行了研究,比较了分别采用悬链线式和张紧式系泊系统系统时FPSO的横荡衰减阻尼和FPSO运动响应的区别;研究了采用钢缆和HMPE缆作为系泊系统时,FPSO在各个浪向下的时域运动响应。综上所述,本文通过模型试验、数值计算和理论分析相结合的方法对张紧式系泊缆的链土作用问题、合成缆非线性及粘弹性问题以及系泊阻尼特性问题等进行了系统全面的研究。针对张紧式系泊缆中锚链—土壤相互作用特性,开展了模型试验,通过结果分析和现象观测相结合的方法探究了链土作用的机理;开展了数值模拟研究,提出了弹塑性土壤力的计算模型,得到了一套计算张紧式系泊系统运动和动力响应的数值程序;在国际上首次发现张紧式系泊缆的“棘轮效应”(Ratcheting);提出了弹性边界法以预测系泊缆的棘轮效应,该方法简单、高效且具有极强的工程应用前景。提出了合成材料的非线性和粘弹性物理模型,克服了合成缆材料的非线性、粘弹性的计算难题。改进了系泊阻尼的计算方法,比较了水动力阻尼、土壤阻尼及材料结构阻尼的比重区别,给出了定性的比较结论。最后,文中研究了多点系泊FPSO在中国南海区域的动力响应,比较分析了不同系泊系统类型及采用不同材料的系泊系统对平台性能的影响。得到的结论为工业界提供了解决方案,为中国南海今后的资源利用、岛礁开发提供了技术储备。