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随着经济、社会的不断发展,人类对能源的需求越来越大,虽然新兴能源蓬勃发展,但是化石能源仍然是主流。目前,陆地上的油气开采已经过很多年,其技术已经非常成熟,但地表的油气资源满足不了人类的巨大需求,因此,各国已经出现不同程度上的能源危机。油气资源的短缺必然会影响人类的生产生活于是人们把目光放到海洋,尤其是深海的油气资源。进入21世纪以来,各国对于油气资源的争夺越来越激烈,中国从20世纪50年代开始对海洋石油的开采进行研究,相对于发达的国家晚了将近60年。由于发达国家对中国的技术封锁,迫切需要对深海用油气开采设备进行自主研发。阀门是海洋油气开采的关键设备之一,起着连接水下管汇及井口装置的作用,保障着水下油气开采系统的安全。球阀耐高压、启闭迅速,在水下生产系统中有广泛的应用。深水球阀在深海中服役的工况严苛,其设计要求、设计方法与普通球阀差异很大。本文对深水球阀的结构和工作原理进行研究,完成了深水球阀的总体方案设计、球阀的壁厚和内部结构的尺寸及关键零部件的设计与校核、球阀材料的选择和防腐技术的研究、法兰螺栓组的布置方案及其受力分析、阀盖与中法兰结合面的强度校核;建立了深水球阀的数学模型,完成了深水球阀虚拟样机设计,对阀体和阀杆进行静力学性能进行研究和仿真分析,模拟深水球阀服役的真实受力情况,对深水球阀的装配体进行静力学仿真与分析,球阀总体变形量与等效应力分布的结果证明球阀的结构强度满足设计要求;对球阀关闭过程中内部的混合流体介质进行研究,分析阀体内部由气液两相流造成的腐蚀类型及其原因,对球阀内部的流体域模型进行研究和描述,建立了阀体内部流场的数学模型;建立了球阀在关闭过程中球阀的四种不同开度流体域模型,对深水球阀四种流体域模型进行仿真和分析,通过流场压力、湍流动能及冲蚀速率等的仿真结果,验证球阀在启闭过程中的强度满足设计要求,并通过气液两相流对球阀的腐蚀情况,提出球阀的优化设计方案;对正常工作状态的深水球阀进行了多物理场耦合研究,针对深水球阀服役环境中存在的热流固耦合场,完成了热流固耦合的数值分析,建立了多物理场耦合的数学模型,对深水球阀的模型进行多物理场耦合仿真,基于内外压力、总体变形、应力及应变等仿真结果,验证了深水球阀的强度条件,并对深水球阀结构进行了优化设计。