叶素动量理论体积力模型作为能够替代真实螺旋桨的一种体积力形式，在模拟螺旋桨以及船桨相互作用问题中具有较大的应用潜力。为了处理基于理想流体假设的传统叶素动量理论在与粘性求解器耦合过程中不能在较大工况范围内准确代表真实螺旋桨模型的问题，本文提出一种基于真实螺旋桨诱导因子分布的改进方法，并进行KP505螺旋桨体积力模型在J=0.4~0.8五种进速条件下的敞水试验模拟。本文将敞水性能、桨载荷分布与诱导速度场的体积力模拟结果与真实螺旋桨模型进行了对比，结果表明改进后的体积力模型预报敞水性能误差在各进速下最大值为1.05%，且体积力模型诱导速度场可以反映真实螺旋桨尾流的动量输运。

为了提高鱼雷的出管速度，本文基于雷诺时均N-S方程和SST k-ω湍流模型建立鱼雷发射推进泵快速启动瞬态计算模型，采用数值方法研究三种启动时间条件下推进泵的水力特性及流场演变。研究结果表明：随着时间推移，流量和推力持续增加，扬程、轴向力、轴向力矩和功率先增大后减小，效率先增加后保持稳定。扬程、轴向力、轴向力矩和功率在加速结束瞬间存在极大值，且极大值随着启动时间的增大而减小。启动初期，叶轮区域存在严重的来流冲击、流动分离和漩涡结构，随着时间推移，流场逐渐趋于稳定；启动时间对推进泵流场演变具有显著影响，启动时间越小，流场越快达到稳定状态。为保证推进泵在启动过程中无空泡产生、内部流场以较快时间运行至稳定状态，建议以0.2 s启动时间启动推进泵。

船舶工业CAE软件势流求解器的开发对势流计算方法的可靠性提出要求，本文针对船舶有航速时深水三维时域格林函数计算方法开展研究。首先引入三维时域自由面格林函数，其瞬时项的求解采用Hess & Smith方法，自由面记忆项的求解采用美国密歇根大学Beck团队的方法。其次，分区域推导出三维时域自由面格林函数记忆项及其导数的编程所用的数学展开表达式。然后，采用间接法模型求解分布源强和速度势，并采用压力直接积分法求出时域辐射力。最后，针对Wigley I船型开展了辐射力计算，并与公开的试验及计算结果进行对比，验证本文方法的可靠性。

近几年来，越来越多学者致力于采用机器学习进行船舶螺旋桨性能预报，但代理模型的预报效果往往受训练样本的数量和质量影响较大。目前船舶螺旋桨性能数据数量少且质量也不高，即数据对应参数分布较为集中，严重不均匀，这些问题都会影响代理模型预报的准确率与可靠性。为了解决这一实际困难，本文提出一种基于经验知识的样本扩充方法，并以船舶螺旋桨水动力性能的代理模型预报为例进行应用验证。结果表明：本文使用的样本扩充方法可以快速生成数据样本，可以一定程度上改善预报代理模型的可靠性，提升预报精度。

泵喷推进器已经逐渐成为现代潜航器的首选，矢量推进器也在航空航天领域得到了广泛的应用。为了解决传统依赖船舵控制在低航速下控制效率低的问题以及提高潜航器回转性能，矢量推进器在潜航器上的应用已逐步成为国内外关注的热点。本文考虑大舵角（喷管偏角）下潜航器各参数非线性的影响，建立潜航器水平面操纵运动的非线性模型。通过仿真研究分析船-舵-推进器、船-矢量推进器和船-舵-矢量推进器三种不同的控制方法下潜航器在低航速、控制泵喷推进器转速、控制潜航器轴向航速三种不同条件下作水平面回转运动时的回转性能，结果表明矢量泵喷推进器可以有效改进潜航器的回转性能。

本文针对传统铰接浮体线性波能转换器捕获效率低、频带窄的固有瓶颈，提出一种可用于铰接浮体波能转换器的简易负刚度机构，可作为一种被动方法提高系统的波能捕获效率。首先，提出一款简单紧凑的负刚度装置，该装置通过在铰接浮体间布置简单的拉伸弹性元件实现；其次，基于线性波浪理论和Cummins方程，建立两模块非线性波能转换器的时域动力学模型，同时为提高计算速度，采用状态空间模型替代表征波浪辐射力的卷积积分项；最后，分析规则波作用下两模块非线性波能转换器的波能转换特性。数值结果表明，通过引入非线性负刚度机构，可有效降低系统的等效固有频率；当负刚度机构调整到适当参数时，系统的弹性力在纵摇运动的相平面上能形成一个椭圆势井，其长轴接近铰接双浮体纵摇运动的模态方向，由此可使两模块的纵摇运动趋于反向，起到被动相位控制的作用。基于上述机理，合适的非线性负刚度结构可有效提高能量的捕获效率和拓宽能量吸收的频带。

针对空泡效应对双向冰级螺旋桨的正车性能和倒车性能的影响，本文采用螺旋桨模型空泡水筒试验方法，探讨均流环境中空泡数和进速系数对螺旋桨正车和倒车水动力影响，以及在冰阻塞环境中空泡数、进速系数和冰-桨距离对螺旋桨正车和倒车水动力性能影响。研究结果表明：均匀流环境中定水速变转速，严重的空化现象对推力和扭矩的削减大于由螺旋桨转速增加而增加的推力和扭矩；冰阻塞环境中定转速变水速，螺旋桨推力和扭矩受到冰阻塞和空泡共同作用，当空化严重时，推力和扭矩不再随阻塞距离的减小而增加；本双向螺旋桨的倒车性能要比正车性能差，进速系数越大，性能差越大，均匀流中进速系数为0.7时，推力系数的差值在80%左右；冰阻塞中随着冰-桨距离的增加，水动力差值随之增加，但增加幅值较小；空泡不断地在桨叶生成，并在与桨叶分离时快速溃灭，随着冰-桨距离的减小，近冰桨叶表面空化现象越严重，空泡发生面积越大，且空泡形状越不规则。

为了探究阻塞环境对冰区桨水动力和空泡特性的影响，辅助冰区螺旋桨的优化设计，本文在大型循环水槽中搭建冰阻塞环境下螺旋桨水动力性能和空泡特性的测试平台，测量和观察常压和减压状态下不同冰桨阻塞参数时螺旋桨及单桨叶的水动力载荷和空泡形态。试验结果表明：冰阻塞条件下的螺旋桨水动力性能是由冰桨阻塞参数、空泡环境和螺旋桨运行工况综合作用的结果，在冰块阻塞效应和邻近效应、螺旋桨抽吸作用、冰块周围回流区以及“皮鲁埃特效应”综合影响作用下冰块和螺旋桨之间会诱发连体涡空泡并导致螺旋桨水动力性能剧烈波动。

本文在连续介质损伤力学理论框架下，以深海载人装备耐压球壳结构为研究对象，开展Bonora损伤模型适用性研究。首先，设计TA31钛合金加载卸载试验，依据试验结果，分析Bonora模型参数对材料应力应变响应的影响规律；随后，提出一种模型参数校准方法，依据试验数据确定TA31钛合金的模型参数；最后，将Bonora模型通过VUMAT子程序的形式嵌入到有限元软件中，开展钛合金球壳结构的极限强度分析，并与传统方法进行对比。研究结果表明，在耐压球壳极限强度分析中，引入Bonora模型可以准确模拟耐压球壳结构的失效模式和破坏压力。该模型在材料本构关系中考虑了屈服强度、抗拉强度以及最大塑性应变的影响，结构失效的物理意义更加明确，对材料性能的优化与提升具有指导意义。

船舶与海洋工程结构中由于材料本身缺陷或服役过程中产生的细小裂纹，使结构不可避免地产生裂纹损伤，造成应力集中而破坏。为了研究含裂纹缺陷低合金钢构件的裂纹扩展行为，以应用广泛的Q345钢为研究对象，基于近场动力学（Peridynamics，PD）理论提出一种改进的双参数PD方法。首先考虑PD力的非局部长程力特性，推导对应的键刚度系数；其次，根据含裂纹缺陷Q345钢拉伸破坏的线性和非线性的力学行为，构建双参数PD本构力函数的基本形式。通过研究不同双裂纹间距、长度和角度的Q345钢裂纹扩展行为，与试验结果对比验证本文改进的双参数PD方法的准确性，并且给出交变荷载情形下疲劳裂纹扩展的计算方法。结果可为船舶钢构件的优化设计和断裂预防提供参考。

平整冰与海洋桩柱结构的相互作用问题十分复杂，往往涉及到海冰的破碎、失效和堆积等现象。平整冰破坏问题本质上是一个材料脆性破坏的问题，然而传统有限元方法的单元失效机制在处理该问题时有着很大的局限性，不能合理反映平整冰破碎后碎冰的变形和运动状态。因此，有必要发展现有仿真技术，建立合理的模型化方法来解决平整冰破坏相关关键问题。本文通过自定义海冰材料本构模拟海冰材料力学特性，并通过粘聚力单元模拟平整冰破坏时裂纹的产生和扩展，通过开展海洋桩柱结构与平整冰相互作用的仿真分析，分析平整冰在受桩柱作用时的破坏失效模式及两者的相互作用载荷，并与相关模型试验比较验证本文所提出方法的可靠性。研究表明，本文所采用的方法能够有效模拟平整冰在受桩柱作用时的挤压和弯曲破坏，同时能够较为准确地预报冰载荷。研究成果对于海洋桩柱结构冰载荷的预报和结构的设计具有重要的参考意义。

针对大深度载人潜器的多球壳组合结构，以水介质中任意空间分布的系列弹性球壳为研究对象，利用球函数平移加法定理，建立计及球壳间声场相互作用的多球壳系统声振耦合模型，计算分析空间分布系列球壳的声场耦合特性及其影响因素。结果表明：声场相互作用将改变球壳模态间耦合关系，使得单阶模态对球壳振动的贡献不再限于单个峰值，进而影响声辐射频谱特征；双球壳系统受激球壳和非受激球壳都产生声辐射，轴向激励情况下，两球壳间存在强声场耦合效应，激励力偏离轴向时，声场耦合效应逐渐减弱；不同尺度球壳组成的双球壳系统扩展了声场有效耦合的频率范围，辐射声场兼具两个球壳的模态特征；多球壳串列布置时，声场耦合效应具有传递作用，多球壳按不同角度分散布置时，辐射声场空间分布则更趋复杂。

本文旨在研究圆柱壳的浸没和充液对其声辐射特征的影响，为界面附近充液壳体目标声学性能的评估和测量提供理论依据和研究方法。通过有限元数值仿真方法计算得到半充液无限长圆柱壳辐射声压的频率-浸没深度谱和半浸没无限长圆柱壳辐射声压的频率-充液高度谱，结果均呈现出两种明显的共振现象，分别由弯曲波和低阶流体附加波激发。根据相速度频散曲线推导出共振频率的预报公式，能够准确地预报辐射声场中出现的共振现象，可为系泊状态内部液舱结构振动声辐射线谱特征控制与评估提供理论支撑。

连接壳结构广泛应用于船舶推进系统中，其边界条件复杂，而且在旋转运动下会产生行波模态，对推进器的动力学性能具有重要影响。为了推进功能梯度材料在船舶海洋工程中的应用，本文通过弹簧模拟壳体结构的边界条件，建立旋转功能梯度锥-柱连接壳的动力学模型，探讨旋转功能梯度锥-柱连接壳的行波模态特性。基于Love薄壳理论，运用弹簧模拟结构两端的边界条件以及圆锥壳和圆柱壳连接界面的连续性条件，推导考虑旋转运动引发的科氏力和离心力的功能梯度连接壳能量方程；以Chebyshev多项式为基底构造位移函数，建立旋转功能梯度连接壳的模态频率方程；利用Rayleigh-Ritz法求解连接壳的行波模态频率；通过收敛性分析确定边界弹簧和接触弹簧的刚度取值范围以及Chebyshev多项式所需要展开的项数；分析环向波数、陶瓷体积分数指数、圆锥角、转速以及任意边界对行波模态频率的影响。结果表明：旋转转速越大，连接壳的前后行波分叉行为越明显；轴向弹簧刚度对行波模态频率影响最大；相比于传统的能量法，采用弹簧模拟边界提高了计算效率，而且连接壳在弹性边界下的行波特性变化较大，说明了采用弹簧模拟任意边界的必要性。