波浪引起的船舶运动对海上作业的效率和安全有着重大影响。未来几秒钟内船舶运动的实时预测在执行敏感活动中起着至关重要的作用。然而，船舶运动时间序列具有明显的记忆效应，这给快速准确的预测带来了一定的困难。因此，本文提出了一种基于长短期记忆（LSTM）神经网络模型的实时方法来预测规则/不规则波迎浪中的船舶运动响应。采用15000 TEU集装箱船作为算例模型，对不同时间尺度的不规则波迎浪中船舶运动响应进行了数值预报和实时预测，并利用相关试验数据对结果进行了验证。结果表明，在非线性船舶运动预测中，所提出的方法比基于势流理论的经典极值短期预报更具可信度。

为理解船首形状对冰载荷的影响，同时为前期的船首线型设计提供指导，基于半经验公式法开展船首形状对破冰型LNG船冰阻力的影响研究。首先，总结不同冰况下适用于货船冰阻力估算的半经验公式。然后，根据半经验公式估算结果与冰池试验结果的对比，确定适用于不同冰况下LNG船冰阻力估算的半经验公式。对比结果表明，Lindqvist公式适用于层冰的冰阻力估算，Zuev-Dobrodeev公式适用于破冰航道的冰阻力估算，Dobrodeev公式适用于碎冰航道的冰阻力估算。接着，分析所选公式中关键参数对冰阻力的影响。船宽、水线角、首倾角等描述船首形状特征的参数对船舶的破冰性能影响较大。在所有冰况中，冰阻力均随船宽的增大而增大，冰阻力随水线角的增大而减小。在层冰和碎冰条件下，冰阻力均随首倾角的增大而增大。较小的船宽、较大的水线角和较小的首倾角有利于降低冰阻力。最后，通过增加水线角和减小首倾角对船首形状进行优化，优化船首后的LNG船在层冰工况下可降低9.9%的冰阻力，在碎冰工况下可降低11.3%的冰阻力。

再生塔摇晃试验对于确定海上浮式平台塔器反应性能至关重要。本研究提出一种新型塔器运动模拟装置和基于海洋捕食者算法的滑模控制器（MPA-SMC），以对安装在海上浮式平台上的高耸塔器进行摇晃试验。该运动模拟装置由Stewart平台和钢框架组成。Stewart平台位于塔器重心位置，并由钢框架提供支撑。然后，利用滑模控制方法对装置液压伺服系统进行控制，并采用海洋捕食者算法对滑模控制参数进行优化，提高控制系统的精度和鲁棒性。仿真与对比验证结果表明，新型塔器运动模拟装置在塔器摇晃试验中具有较低的扭矩，所提出的滑膜控制器在目标跟踪精度和抗干扰能力方面比传统PID控制器表现更好。

极地海冰在多种空间尺度上呈现出离散分布特征，本文基于Gilbert-Johnson-Keerthi（GJK）和Expanding Polytope Algorithm（EPA）接触算法发展一种用于极地海冰的离散元方法。该方法允许模拟浮冰的漂移和接触碰撞过程，并基于简化的刚体有限元方法表征海冰的冻结破坏。通过在平整冰场上进行单轴压缩模拟证实程序的稳定性，并研究压缩强度对浮冰场变形的影响。在此基础上，对穿越狭窄通道的冰块集合进行离散元模拟，研究浮冰尺度、初始密集度和圆形度对其流动特性的影响规律。结果表明，在幂律分布的浮冰尺度分布函数中增大幂指数、增加圆形度以及降低初始密集度都会导致浮冰场的流动速度加快。

由于槽道的存在，槽道滑行艇具有独特的流体动力学和空气动力学特性。本文对槽道滑行艇的水动力特性进行了试验和数值研究。在0.761≤Fn≤1.925范围内，分别进行了质量为127.4 kg、159.5 kg和202.9 kg的船模阻力试验。拖曳水池的阻力试验结果表明，排水量较大的槽道滑行艇阻力性能优越。采用基于有限体积法的雷诺平均纳维斯托克斯（RANS）方程进行数值模拟，以分析船体在静水中具有两个自由度（升沉和纵摇）的阻力特性（M=159.5 kg）。数值结果与试验数据的比较显示出良好的一致性。比较和讨论了由SST k-ω与Realizable k-ε两种湍流模型的数值模拟获得的压力分布、波形和升力。由于槽道的存在，船体周围流线的局部流体流动可以分为四个区域，这与传统的棱柱型滑行艇的表现不同。

对大型船舶结构开展极限强度模型试验评估，通常采用主尺寸与板厚尺寸非等比缩比的畸变模型，如何实现复合载荷作用下畸变模型与实船结构相似是其重要问题之一。本文提出弯矩-表面压力复合作用下船舶畸变模型相似准则，并对准则的尺度效应进行系列数值分析和模型试验验证。研究表明，复合载荷作用下船舶畸变模型相似准则存在一定的尺度效应，对舱段结构开展模型试验时，建议板厚缩尺比与主尺寸缩尺比之间的比例范围控制在2:1以内。研究成果可为大型船舶结构畸变模型设计与极限强度试验提供参考。

船海结构经常遭受重复冲击载荷，导致结构失效破坏，甚至造成严重事故。本文基于最大应力屈服面，利用膜力因子法建立金属梁低速冲击塑性响应理论分析模型，获得无量纲最终挠度和无量纲冲击力的解析表达式，并将理论结果与实验结果进行对比。研究发现膜力因子法的求解结果与实验结果十分接近，且位于内外屈服面求解的结果之间，验证了理论方法具有较好的准确性。在此基础上，利用本文提出的理论方法研究冲击位置和边界条件对金属梁塑性动力响应的影响规律。结果表明，随着冲击位置距跨中增加，最终挠度不断减小，但冲击力峰值不断增大，且冲击位置的影响随着冲击次数的增大而增强。当最终挠度小于梁厚时，边界条件对金属梁塑性响应的影响较大；而当最终挠度大于梁厚时，金属梁将会类似于一根塑性弦，只有轴力做功，就会导致边界条件对塑性响应的影响非常小。

极地船舶在冰区航行时将不可避免地与冰脊发生相互作用。相比于其他类型的冰体，冰脊由于其尺度与结构特点，呈现出更为复杂的力学特性。本文采用非线性有限元方法研究极地船舶与冰脊之间的相互作用。基于弹塑性模型建立冰脊模型，并选取Drucker-Prager屈服准则，同时考虑粘聚力、摩擦角以及硬化的影响。将开发的材料模型嵌入LS-DYNA中，通过半隐式图形返回算法进行求解。通过模拟冰脊与船舶的多次碰撞，评估冰脊和船体的应力分布以及冰载荷的时历变化。此外，通过参数化分析，讨论冰脊厚度和冲击速度对冰载荷和吸能结果的影响。

在材料运动硬化和各向同性硬化存在的情况下，分析开孔参数对极端循环加载下开口板极限强度的影响。结果表明：在前四次循环中，开口板的极限强度迅速下降并趋于稳定；与矩形开口相比，长圆形开口的板具有更高的极限强度，而相对强化比随着循环时间的延长而减小；开孔位置也是影响结构强度的重要参数，在纵向上，靠近边缘开孔的板强度较高，而在横向上，靠近中心开孔的板强度较高；对比三种开孔加固方法，Carling加强法在多次循环荷载作用下仍保持较好的加固效果。

表面压力载荷易引起船体结构局部变形和损伤，如何模拟表面载荷加载一直是船舶结构试验技术领域中亟待解决的问题。本文提出“液压作动器+高压柔性液囊”的加载模式，建立加载装置数值模型，形成基于芳纶纤维增强热塑性聚氨酯的高压柔性液囊结构设计与分析方法，突破船舶结构表面载荷加载技术，研制一种基于高压柔性液囊的表面载荷加载系统，并开展弯矩和表面压力联合作用下箱型梁模型极限强度验证试验，系统验证加载系统的可行性和适用性。结果表明，采用表面载荷加载技术能对船体结构较好地施加均布压力，相较于传统重物堆载法，该方法可实现卧式恒压力全自动加载，载荷响应迅速，加载过程安全，且试验过程中随着弯矩载荷的提升表面压力载荷始终稳定，可很好地满足大尺度结构模型强度综合试验均布载荷加载的要求，提高试验结果的准确性。

为了进一步探索考虑部分卸载效应的板条多压头成形机理和回弹特性，本文在船舶数控弯板机上开展一系列板条凹形成形试验。首先建立板条成形的理论模型，分析板条在凹形成形中的变形机理和回弹特性，并与实验结果对比，验证该模型的准确性；然后在该理论模型基础上，进一步分析板条的变形历史和加载情况，探索不同加工工况所需的船舶数控弯板机加工能力；此外还分析成形方式对板条回弹的影响，结果表明，凸形成形的板条回弹量大于凹形成形的回弹量。

具有高静低动刚度特性的隔振器是一种有效的低频隔振方式，可用于船舶轴系的低频扭振隔振。本文通过并联正刚度和负刚度元件，设计一种机构紧凑的高静低动刚度扭振隔振装置；通过力学模型分析，分别推导负刚度构件中弹簧和连杆的回复力矩，以及正刚度构件中圆截面柔性杆的回复力矩；通过对模型进行静力学仿真和试验得到扭振隔振装置的准零刚度特性曲线；通过数值模拟仿真分析和扭矩传递特性理论分析，评估扭转隔振性能；最后，进行了动态扫频激振试验。试验结果表明，高静低动扭振隔振装置相比线性隔振装置具有更好的低频隔振性能，是针对船舶轴系低频扭转振动可供借鉴的解决方案。