在海洋工程与海岸防护领域，准确理解破碎波对海洋结构物的作用机制，是保障工程安全运行与提升防护效能的关键。本研究基于开源计算流体力学平台OpenFOAM框架，创新性地结合了采用THINC/QQ界面捕捉格式的thincFoam求解器与稳定k–ω SST湍流模型，开发了一套适用于波浪破碎过程精细化模拟的高保真数值模型。本模型实现了对波浪破碎过程中自由面形态演化、动态流场结构、压力峰值特征以及能量耗散机制等关键物理参量的高分辨率捕捉和定量分析。数值验证结果表明，该模型对孤立波传播过程具有优异的预测能力，能够准确再现自由表面高度变化以及速度场与压力场的时空分布特征。基于系统的数值试验，本研究揭示了排桩式防波堤在孤立波作用下的多尺度消浪机制，主要包括：由自由面破碎引发的湍流掺混，由桩间间隙产生的振荡射流，由桩后水域形成的涡旋结构，以及由回流与剩余波体的非线性相互作用所诱发的一系列波浪破碎现象。这些物理过程共同构成了波浪能量耗散的多物理场协同机制。研究成果不仅为排桩式防波堤的优化设计提供了理论支撑，而且为波浪与结构物的相互作用提供了有效的数值工具，对推动海洋工程领域的理论发展和技术进步具有重要的学术价值与工程指导意义。

为了提高仿生机器鲨鱼的C型转向性能，本文采用计算流体动力学仿真方法开展了自推进机器鲨鱼C型转向的运动学和水动力学研究。建立了机器鲨鱼仿真模型及其转向运动学与动力学方程，同时数值研究了鱼体弯曲最小曲率半径R₀、尾鳍非对称系数R_s和靠壁距离dh等参数对转向速度和水动力参数的影响规律，分析了C型转向过程中流场结构的演变过程。结果表明，减小R₀可缩短转向距离、增大转向角度；尾鳍的非对称性有助于改善转向效果，但R_s过大会导致转向稳定性下降；适当的靠壁距离能够提升转向速度、减小转向距离。

当外部波浪激励或平台运动频率与月池结构固有频率相近时，月池内部会产生强烈共振现象，此时月池内部水体与平台运动均展现出强烈的非线性特征。本文基于计算流体力学原理，对规则波作用下的深吃水圆筒型平台进行数值模拟，探究了入射波频率和环境波高对平台运动与月池水体耦合系统的影响机制。结果表明：环境波高的增加会加剧月池水体运动所产生的非线性现象，月池中高频段的共振峰值增加，活塞共振峰值降低；平台运动与月池水体之间存在强耦合关系，月池共振和平台的运动响应均呈现双峰的特性；随着环境波高的增加，平台的垂荡响应幅值算子（RAO）幅值降低，纵摇RAO幅值增加。

低速偏斜下的大长径比水润滑径向轴承常出现异常磨损和摩擦振动，严重影响舰船可靠性和隐身能力。然而，关于全尺寸水润滑径向轴承性能测试的相关研究较少，其在不同服役状态下动力学行为演化机制尚待探究。本研究基于全尺寸推进轴系试验台，设计并构建了一套水润滑径向轴承分布式测试系统，开展了全尺寸水润滑径向轴承磨合试验、速度特性试验和标高特性试验。从摩擦学特性与润滑状态分区的角度，本文揭示了不同工况下轴承各润滑子区域的动力学行为变化规律。研究结果表明：转速提升会使轴颈挠曲程度增大，促使水膜压力峰值向自由端润滑子区迁移；而中间轴承标高改变会影响润滑子区域之间的载荷分配；不同润滑子区域的起飞特性呈现显著差异。研究结果为船舶大长径比水润滑径向轴承动力学建模与结构优化设计提供了重要的实证数据。

波浪与碎冰并存是极地冰缘区的显著特征，在冰缘区航行的船舶会遭受碎冰和波浪载荷的共同作用，现阶段针对单一波浪或碎冰条件下船舶冰阻力特性的研究比较丰富，而对波浪与碎冰耦合作用下的船舶冰阻力特性研究相对匮乏，这导致船–冰–波浪相互作用机理及其对船舶航行性能的影响机制尚不清晰。为探究波浪影响下碎冰区船舶的冰阻力特性，本文基于计算流体动力学–离散元（CFD-DEM）耦合方法，构建了波浪影响下碎冰区船舶航行的数值模型，首先，基于有限体积方法（FVM）建立数值波浪水池，并引入离散元方法构建碎冰模型，通过与理论和模型实验结果对比，验证了单一波浪作用和单一碎冰作用下船舶阻力模型的有效性，随后，分析了波浪影响下碎冰区船舶冰阻力特性，并探究了波浪参数以及碎冰密集度的影响。研究结果表明：波浪的存在显著影响了船–冰相互作用过程，使冰阻力呈现明显的周期性，波浪影响下碎冰区船舶的冰阻力始终大于静水碎冰条件下的船舶冰阻力，同时揭示了波长、波高以及碎冰密集度等参数对冰阻力特性的影响规律。

针对复杂海况下潜艇操纵性和适航性预报方法提升的实际需求，本文采用基于重叠网格和滑移网格的方法模拟潜艇六自由度耦合运动、X艉操纵面的独立运动以及艇后螺旋桨的转动，结合VOF（Volume of Fluid）方法捕捉自由面，进行潜艇近水面自航模操纵运动数值模拟方法研究。通过开展X舵潜艇静水中不同浸深和规则波中不同波长下潜艇自航模近水面回转操纵运动的数值模拟，重点解决了近水面操纵状态下艇/桨/舵和自由面水动力耦合建模、X型自动舵的 PD（Proportional-differential）控制及螺旋桨转速的 PI（Proportional-integral）控制等问题，建立了静水和波浪中X舵潜艇自航模近水面操纵运动数值模拟技术。研究结果表明：潜艇过于靠近水面时，受舵效显著降低这一主要因素及螺旋桨侧向力增大等次要因素的影响，X舵潜艇的回转直径、切点横距和最大纵距均急剧增大；特定波长下潜艇回转第四象限的垂直面运动姿态变化会导致X舵法向力发生大幅改变，从而引起潜艇漂角的大幅改变和回转运动轨迹的较大偏差。研究可为潜艇操纵性和适航性预报与评估以及潜艇自航模模型试验技术完善提供技术支撑。

柔性软管是深海采矿系统中连接采矿车与中继站的关键纽带，以弯曲状态悬浮在采矿车上。本文基于之前开发的高浓度矿石颗粒垂直水力输送的一维模型（VHT_1D），通过将长距离弯曲管道离散成一系列斜管单元进行受力分析，将该模型适用条件从垂直管拓展到长距离弯曲管道。通过将拓展后的模型计算结果与计算流体动力学与离散元（CFD-DEM）双向耦合方法的计算结果进行充分对比，验证了该模型具有较高的精度。同时，进一步探讨了进料浓度和混合物输送速度等输入参数对管道内流态的影响，以此确定合理的输入参数范围，优化管道系统的输送效率。此外，通过对单峰与双峰长距离弯曲管道的水力梯度的对比分析，为输送泵的设计提供了依据。拓展后的模型在保证高精度的同时大大提升了计算效率，尤其适用于长距离弯曲管道。

在工程应用中，超大型浮体需要借助系泊系统实现海上定位。然而超大型浮体因其大长宽比的特征，整体刚度较低，在波浪作用下易产生显著的弹性变形，刚体理论无法考虑这种变形对系泊系统的影响，也难以预报系泊状态下浮体的结构动力响应。为此，本研究基于三维水弹性力学理论和细长杆系泊动力学理论，建立了超大型浮体与系泊系统耦合计算模型，该模型可同步计算浮体在系泊作用下的结构响应及系泊系统在浮体刚体运动与弹性变形共同影响下的动力响应，从而实现对系泊张力与结构响应更高精度的同步预报。本文采用该模型对三模块超大型浮体耦合性能进行了分析，获得了浮体典型剖面载荷响应和系泊缆张力。结果表明，该浮体的弹性变形显著改变了系泊点位移，导致系泊缆张力增量达到10⁵ N量级，最大增量达到其预张力的40%左右。

单点系泊系统中，主轴承作为承受系泊力的关键部件，其在实际工况下的承载性能研究具有重要意义。但目前针对该类轴承的研究较少，现有研究也未考虑到其实际系泊受力形式和安装结构的影响。为此，本文以软刚臂式单点系泊系统为研究对象，提出了考虑系泊受力以及安装结构的单点系泊主轴承整体有限元等效建模方法，为了避免大量的非线性接触，该方法利用非线性弹簧和梁单元对滚动体及螺栓进行等效处理。在验证整体模型准确性后，将其与载荷等效后的传统模型进行对比，并分析了上部载荷、螺栓预紧力以及摩擦系数对主轴承承载性能的影响。最后，基于整体与传统模型所得到的滚子最大载荷，建立了局部接触模型，进而计算主轴承安全系数。结果表明：整体等效模型更能准确反映主轴承的受力与变形特性；整体模型的位移及螺栓位移随着预紧力以及摩擦系数增大而减小，而接触压力呈增大趋势；计算得到整体模型下的主轴承安全系数为1.43，明显小于传统模型所得安全系数2.51，由此可见，传统模型会高估主轴承的承载能力，而整体模型能对主轴承的承载能力进行准确评估，从而为该类轴承的设计提供更为准确的依据。

热塑性复合材料管（Thermoplastic Composite Pipes, TCP）结构在海洋结构物中得到了广泛的应用，本文建立残差注意力布朗协方差神经网络进行TCP复合材料层间脱层的损伤识别研究。首先，通过有限元方法计算多组具有单损伤、多损伤和不同损伤程度的热塑性复合材料管的曲率模态；然后，讨论热塑性复合材料管脱层损伤识别方法；最后，将曲率模态作为输入参数，构建残差注意力布朗协方差网络模型，对热塑性复合材料管脱层损伤位置和损伤程度进行识别。结果表明，本文提出的基于残差注意力布朗协方差网络的管道损伤识别模型能够识别损伤位置和大小。对损伤位置的识别准确度为100%，损伤程度识别误差低于6%，研究结果可为海洋工程结构物无损检测提供参考。