海洋中内孤立波会诱发突变的环状剪切流，导致潜水器产生大幅度的垂向掉深和俯仰运动，给潜水器航行安全和作业性能带来威胁。本文基于CFD的速度入口造波法和重叠网格技术，建立内孤立波中潜水器运动响应预报方法，通过与分层流水池试验结果对比，证明该方法可准确模拟内孤立波中潜水器大振幅运动；通过对处于分层界面的无动力悬浮潜水器在内孤立波中的运动过程模拟分析，揭示内孤立波中潜水器掉深及俯仰运动产生机理，同时探究分层厚度比、波幅、潜深等参数对无动力悬浮潜水器纵向运动的影响规律。结果表明：潜水器在内孤立波中的掉深和俯仰运动幅值是由内孤立波波幅和最大波倾角决定；波幅、分层厚度比、潜深等因素对潜水器纵向运动特性有较大影响。

顺应式的漂浮柔性圆柱型结构物，如深海养殖结构物的浮圈结构、波浪能发电装置的浮体部分等，大多是半浸没的。目前，学术界和工程界对半浸没圆柱的水动力特性了解较少，也使这些新型结构物在设计和分析时面临着载荷输入不确定性的难题。本文通过定常流和振荡流共同作用下半浸没柱体模型实验，开展半浸没柱体水动力载荷特性研究。实验中，由拖车带动半浸没柱体向前运动模拟等效定常流场，强迫柱体以不同振幅和周期振荡来模拟等效振荡流场。实验结果表明，在来流作用下半浸没柱体不可避免会遭受显著的平均升力作用，远大于其所受阻力载荷。研究揭示了水动力系数与多敏感参数的影响关系，确证了KC数对水动力系数影响较弱，总傅汝德数是水动力系数的主控参数，初步建立了流致半浸没柱体水动力载荷系数模型。本文工作可为相关海洋结构物的设计提供有益的指导。

船舶易受到风浪干扰而影响海上风力发电机的安装精度和维护安全性，其中长峰波随机波浪谱下的非平稳横摇运动影响最大。为保证海上作业在复杂海况下的稳定性，需要提高预测模型的泛化性，故本文提出基于联邦泛化的非平稳船舶横摇运动预测方法。首先，利用变模态方法分解非平稳船舶横摇运动为多分量平稳序列，进而采用注意力机制的长短期记忆神经网络建立本地多维多步预测模型，并进行误差校正；其次，为了提高复杂海况下遇到新类型船舶横摇运动时的预测效果，在不共享数据的前提下联合多家船舶横摇运动数据持有方进行择优联邦建模；最后，使用最大均值差异方法选择特征相似度高的数据进行加权平均联邦训练。实验结果表明，经过联邦学习后的模型具有更高的预测精度，以及更好的泛化能力，有助于风电安装时的波浪补偿稳定控制。

海上浮式结构物不断向大型化发展，极端环境中大型海上浮式结构物的雨载荷已成为设计人员关注的焦点问题之一。本文基于离散粒子模型，开展风驱雨场运动预报，量化雨场空间特征参数分布规律；推导结构雨载荷的计算公式，完成海洋平台不同风速和降雨强度组合工况下雨载荷的预报。研究表明：采用DNV风剖面和Davenport风谱作用下的海洋平台雨载荷服从Gamma分布；相较于平均风载荷，当降雨强度R=800 mm/h时，雨载荷三一值占比为5.07%，最大值占比为8.87%；当降雨强度R=20 mm/h，雨载荷三一值占比为0.36%，最大值占比为0.6%。本文研究成果可为海上结构物及其系泊系统设计提供指导。

对于在沿海或海岛泻湖附近水域进行作业的浮体，因其较浅的工作水深使得海底地形变化对其系泊系统的影响不可忽略，因而在探究系泊系统特性时不能再将海底简化为平坦地形。为研究锚链在非平坦海底地形条件下的静态特性，基于集中质量法建立锚链模型，通过数值模拟探讨海底倾斜角度以及锚链布置方式对锚链顶端张力、张力角以及悬线长度的影响规律，以指导浅水水域浮体系泊系统的设计和安全性能评估。

本文针对一种新型遥控无人潜水器（Remote Operated Vehicle，ROV）拖曳采集装置（Mining Robot，MRT）的路径跟踪问题，提出一种路径跟踪控制方法。首先建立简化的ROV型深海采集装置的运动模型，随后提出一种基于线性模型预测控制算法（Linear Model Predictive Control，LMPC）和非线性模型预测控制器（Nonlinear Model Predictive Control，NMPC）的路径跟踪算法。与传统的模型预测控制器（Model Predictive Control，MPC）不同，本文提出的双层模型预测控制算法（Double Model Predictive Control，DMPC）由两部分组成：（1）由MRT的LMPC控制器计算得到MRT的速度控制律，用于快速收敛MRT的跟踪误差；（2）由ROV的NMPC控制器计算得到ROV的控制输入，用于响应MRT的速度控制律。在DMPC的设计中，有效考虑状态量和控制量约束，其中为了保证ROV控制输入的平顺性，引入ROV的控制量增量约束。最后，设计仿真实验用于验证MRT的路径跟踪效果，数值仿真结果证明了该算法的有效性。

本文利用开源计算流体力学软件OpenFOAM，数值模拟极限海浪环境下卷破波浪和非破碎波浪对海洋平台立柱的影响，目的是对比分析立柱在上述两种波浪类型下的波浪载荷及结构应力的变化情况。基于雷诺平均Navier-Stokes方程结合k-ω SST湍流模型对流体质点运动方程进行求解。通过数值结果发现，在相同设计波浪参数输入下，作用在海洋平台立柱上的卷破波浪载荷远远高于非破碎波浪载荷。立柱各个结构在非破碎波浪载荷作用下的最大应力值均小于材料的屈服极限。然而，在卷破波浪载荷作用下，部分结构受到的最大应力超过了材料的屈服极限，不满足结构安全要求。因此，在海洋结构物安全设计中需要考虑卷破波浪载荷对结构强度的影响，以确保结构具有足够的安全裕度。

针对大深度载人舱球壳下潜过程难以推演等问题，本文提出一种数据驱动的下潜过程推演与异常诊断算法。首先，对大深度载人舱球壳结构及历史下潜数据进行分析。其次，将下潜深度作为输入，关键热点应力作为输出，利用长短时记忆神经网络（long short-term memory network，LSTM）构建下潜过程推演模型，并对推演结果进行分析。与DNN模型和BP模型进行对比，推演误差分别降低35.89%和68.30%。最后，基于LSTM模型，提出一种数据异常诊断算法，该算法可对传感器出现故障时的异常数据进行及时诊断与修正。

铝合金因其低密度、高比强度和大比刚度等优点在船舶工业中得到了大量应用。但是相比于钢材，铝合金的强度偏低。为了提高铝合金材料的强度，以常应用于船舶压铸件和舾装件的JDA1b铝合金为研究对象，开展预变形拉伸和弯曲试验以及动态拉伸试验，研究预应变、预弯曲对JDA1b合金力学性能的影响，同时也研究应变率对合金流动力学行为的影响。结果表明：提高应变率能增加材料的流动应力和抗拉强度；随着预应变的增加，材料的屈服应力和抗拉强度会增大，但延伸率会降低；预弯量的增加有利于提高材料的弯曲屈服载荷、弯曲刚度和破坏位移。提出考虑极限强度和临界应变的新动态本构模型，该模型能够准确地预测JDA1b合金在不同应变率（1~800/s）时的流动应力，拟合优度值达到了0.999。本文的研究可为提高铝合金强度提供方法参考，新提出的本构模型有助于提高零件力学性能仿真计算的精度。

深海耐压结构的应用设计逐渐呈现采用中厚壳结构的特征，其结构应力特性与传统薄壳结构相比具有明显差异。本文以采用矩形肋骨加强的深海无人系统头盖结构为对象，基于环肋圆柱壳三维应力分析方法对中厚壳耐压结构强度开展研究。首先，通过文献中的算例检验三维应力方法计算程序关于环肋圆柱壳结构计算的正确性，然后对头盖主体结构进行典型应力计算，研究中厚壳结构受力特性，最后通过等效肋骨间距假设，计算获取头盖复杂结构典型区域壳板和肋骨的应力水平和分布规律。与有限元仿真计算和模型试验结果比较表明，三维应力分析方法用于中厚壳耐压结构应力计算时具有较好的适用性和工程精度，可以为深海耐压结构强度分析和中厚壳结构理论研究提供参考。

为提升舰船抗爆防护性能，探究船用夹层结构在冲击载荷下的毁伤机理，本文设计并开展船用U型折叠式夹层板近距空爆试验，分析夹层板在冲击波载荷作用下的变形及破坏模式，并进行有限元仿真分析。在此基础上，通过在炸药底部预制破片群，研究冲击波与破片联合作用下夹层板的毁伤特性，从面板破口大小、竖向位移和能量吸收三个方面，讨论面板厚度和爆距对夹层板抗爆性能的影响规律。结果表明：在冲击波与破片联合作用下，夹层板上面板的破坏形式为挠曲大变形、边界撕裂、冲塞破口和分散穿孔；下面板以挠曲大变形和凹坑为主；上面板破口形状随上面板厚度增加由“蝶形”向“类圆形”转变，此时上面板和芯层为主要吸能构件；夹层板中心区域的变形对爆距减小较为敏感，而边缘区域变形量无显著变化。夹层板的总吸能、下面板和芯层的吸能量和占比均随上面板厚度减小而增大，下面板和芯层厚度的改变对夹层板整体吸能及各部分占比影响较小。

焊接残余应力对于焊接结构疲劳寿命影响明显，同时焊接残余应力并不是一成不变的，随着裂纹扩展会发生重分布。因此，开展焊接残余应力重分布和裂纹扩展的耦合研究对于准确预测焊接结构的疲劳寿命至关重要。本文基于热弹塑性有限元法与扩展有限元法（XFEM），提出考虑焊接残余应力重分布和裂纹扩展耦合的疲劳寿命分析方法。以TC4钛合金拉伸疲劳试样为例，结合扩展有限元法，研究焊接残余应力随裂纹扩展的重分布情况，循环迭代计算得到裂纹扩展过程中裂尖前方焊接残余应力分布，以及焊接残余应力重分布下的疲劳裂纹扩展a-N曲线。计算结果表明，裂尖处焊接残余应力会随裂纹扩展先增大后减小，相比于将焊接残余应力视为恒定值，考虑焊接残余应力重分布的扩展有限元疲劳寿命分析方法能更准确地预报焊接结构疲劳寿命。

为探究低速机主轴承在重载工况下润滑性能及其与磨损的相互作用机制，基于微凸体微观接触及疲劳损伤机理构建轴承材料磨损模型，并结合混合热弹流润滑理论，建立主轴承混合热弹流润滑与磨损耦合分析模型，据此探究发火时刻特定承载下的主轴承磨损分布与演变规律，以及磨损对油膜压力、油膜厚度及粗糙接触压力等润滑特性参数的影响，获取载荷、半径间隙、微凸体摩擦系数和转速等参数对主轴承磨损特性的影响规律。研究表明：随着磨损时间增加，磨损区域从承载区中心沿轴承周向增大，接触压力减小，最小油膜厚度增大；半径间隙及微凸体摩擦系数增大、转速降低都会加剧主轴承磨损。

船舶航行时螺旋桨产生的激励力会引起推进轴系振动，而轴系振动也会对螺旋桨产生反馈，引起复杂空间运动，桨-轴系统中存在着双向流固耦合问题。为了研究这种复杂动力学特性，本文基于有限元（FEM）和计算流体力学（CFD）方法，建立能够模拟轴系多自由度振动与螺旋桨粘性流场耦合的数值模型，在流场求解器中进行二次开发实现双向耦合的迭代求解，并进行多个算例的模拟来研究流体激励与振动响应的变化规律。结果表明：本文提出的方法具有实用价值，采用该方法进行双向流固耦合分析时收敛性与精度满足工程要求，求解速度较快且无需附加的计算资源；双向耦合效应与质量不平衡对轴频处的幅值有较大影响，而非均匀来流对叶频处的幅值有较大影响。

本文提出一种基于等效源法的浅水域界面干扰分离与声场重构方法。该方法将射线声学虚源法与等效源法相结合，能够在浅水域条件下有效分离界面反射声的影响，对结构声源的辐射声场进行精准重构。文中简述了虚源法模型，给出了干扰剥离等效源法的基本原理和算法实现过程，通过仿真说明了不同频率和全息面构型对算法的影响，总结了该方法相比常规等效源法的优势以及适用性。