层冰是冰区海工结构作业时遭遇的主要冰况之一，直立结构是海工结构的常见构型，因此，开展层冰作用下直立结构冰载荷研究对海工结构抗冰强化设计和安全评估具有重要意义。本文首先对层冰与直立结构作用过程进行概括分析。然后开展直立圆柱结构冰载荷的机理性试验，研究层冰的失效行为以及结构冰载荷的特征。最后基于黏聚单元模型和海冰软化本构开发层冰与结构作用模拟的数值仿真模型，对层冰的裂纹扩展和破碎过程进行模拟，同时利用试验数据对数值仿真模型的正确性进行验证。本研究工作可为结构冰载荷的数值和试验研究奠定重要基础，为冰区海工结构的设计建造提供技术参考。

随着半潜式平台的长期海上服役，平台的基本设计参数会发生变化，如仍基于原始设计参数对平台进行分析将影响结果的准确性。本文以半潜式平台服役中易发生变化的基本参数（平台排水量、重心高度和三个自由度回转半径）作为修正参数，以平台横摇、纵摇和垂荡自由度的方差和波频功率谱密度构建目标函数，建立可依据实测数据的半潜式平台贝叶斯参数修正方法。以我国某半潜式平台实测数据为例，开展平台的参数修正研究，并基于修正后的参数对平台多年一遇环境荷载下的响应进行对比评估。

本文借鉴航空发动机中的压气机“处理机匣”技术，在泵喷推进器导管内壁开设一定数量的轴向沟槽结构，用于减弱泵喷推进器的梢涡，从而减小泵喷推进器导管内壁上的脉动压力。结合分离涡模拟（DES）方法和滑移网格方法对椭圆形水翼的梢涡流场进行数值模拟，数值计算结果与试验值吻合度较高，验证了数值计算方法的可靠性与适用性。在此基础上，分别对有无沟槽结构的泵喷推进器进行数值模拟，对比分析沟槽结构对梢涡涡核压力、导管内壁脉动压力和水动力性能的影响。结果表明：沟槽结构可以显著增大梢涡涡核压力，并对导管内壁面上脉动压力幅值有明显的降低效果，且对水动力性能影响较小。

鱼类经过长期的进化与自然选择，有着优异的水中游动能力，鱼类借助尾鳍能够进行快速高效的定向游动和快速启动/机动，借助胸鳍能够进行前进、后退和灵活的转向。本文基于计算流体力学（CFD）方法，给出适用于求解鱼类尾鳍/胸鳍的刚性运动以及身体躯干的柔性运动的网格划分策略，对仿生尾鳍、仿生胸鳍和仿生鱼在均匀来流中的水动力性能以及仿生鱼在静水中的自主游动进行数值计算。结果表明：基于CFD方法，采用结构与非结构混合的网格划分策略，应用动网格方法能够对仿生鱼的各类鳍及身体躯干的刚性或柔性运动进行有效的模拟，通过与实验结果进行对比，验证了对水动力性能求解的有效性。数值计算方法和验证算例对仿生水动力学的研究具有一定的理论参考意义。

作为BCF（body-caudal fin）推进模式中的典型代表，金枪鱼游动快，是重要的仿生研究对象之一。本文基于弹性光顺模型和局部网格重构模型动网格技术，建立仿金枪鱼尾鳍摆动推进流场RANS数值计算及涡结构提取分析方法，通过网格无关性验证，并与其它研究结果的比较验证数值计算方法的有效性。对尾鳍摆动推进过程中主要涡结构的产生与演化研究表明，尾鳍摆动推进水动力由St数主控，尾流中环状涡结构呈“之”形交错分布，并且随着St数增加，涡结构逐渐从单列演变成双列，推力系数逐渐增大。

PTO（power take-off）系统是波浪能发电装置（wave energy converter，WEC）的重要组成部分。本文针对摇臂式波浪能发电装置，提出一种机械式PTO系统，考虑发电机负载与机械传动的影响，开展摇臂浮子水动力性能与PTO系统的联合仿真研究。分析摇臂浮子在不同行程工作模式下的运动响应，并对联合仿真模型的PTO系统参数进行优化。研究发现：在目标海况下，本项目设计的发电装置，双行程工作的WEC系统功率显著高于单行程工作状态，双行程WEC最佳功率对应的传动比约为72.5；单行程工作的摇臂浮子在低传动比（小于60）下的上升、下降功率近乎相等，随着传动比的增加，上升、下降行程的功率相较于双行程模式都分别递增，且下降行程功率大于上升行程功率。本文采用的联合仿真方法可为不同海况与各类振荡浮子式波能发电装置的设计与选型提供参考。

深吃水圆筒型浮式核能平台是一种新型多功能高效平台，可有效解决南海岛礁开发过程中的能源供给问题。在一定来流速度下，尾流区交替泄涡进而诱导平台发生涡激运动（vortex induced motions，VIM），这将严重加速系泊和立管系统疲劳损害，同时对平台内部核反应堆运行产生不利影响。基于改进的延迟分离涡方法（improved delayed detached eddy simulation，IDDES）对平台在不同折合速度下的横荡、纵荡、艏摇运动响应进行数值模拟，并从水平面内质心运动轨迹、运动频率、三维流场特性等角度分析涡激运动关键特征。研究结果表明：当折合速度5.45 < U_r < 9.08时，平台横荡、艏摇振幅均逐渐增加且运动轨迹类似“香蕉”形，横荡与艏摇运动频率基本一致且横荡未出现明显的“锁定”区间变化；当7.26 < U_r < 9.08时，艏摇振幅近似线性递增且运动频率中主频附近出现多个峰值，运动轨迹在顺流方向上逐渐变宽；三维流场中发现尾流区三维漩涡结构相当复杂且平台底部柱靴结构对表面流动分离造成干扰，柱靴结构具有一定的减涡效果。

海上旅游平台大跨度网壳结构作为新型结构，目前还没有成熟的设计和强度分析方法。本文以网壳结构立柱间的相对位移为波浪载荷控制参数，基于设计波法和三维水弹性理论计算波浪载荷；以百年一遇的风速作为风载工况，采用k-ε湍流模型模拟风场计算风载荷，利用面元积分法计算网壳结构等效节点载荷，建立大跨度网壳结构外载荷计算方法。在此基础上，以“海洋之心”旅游平台为算例，开展了网壳结构响应分析，获得了风载荷、波浪载荷及风浪联合作用下的网壳结构响应，对比分析了风载荷和波浪载荷对网壳结构响应的影响。

针对宽带高斯随机应力过程造成的疲劳损伤问题，本文提出一种基于改进Tovo-Benasciutti（T-B）法的疲劳损伤频域分析方法。通过不同参数形式的功率谱进行时域的疲劳损伤分析，针对T-B法中的关键参数b_TB提出一个新的非线性函数模型。与原T-B法相比，新提出的函数模型b_MTB可以考虑S-N曲线斜率参数m的影响，并以此为基础提出基于改进T-B法的疲劳损伤分析方法。以时域的雨流计数法结果作为基准，分别采用参数化功率谱和真实响应谱进行数值试验，并与现有的多种宽带高斯疲劳损伤分析方法进行对比，验证本文所提出的改进T-B法的准确性和适用性。

针对低温下船用HTS-A钢的疲劳裂纹扩展行为，本文采用25 mm厚HTS-A钢CT试样为研究对象，开展常温及不同低温环境下疲劳裂纹扩展试验。在试验研究的基础上，提出包含温度项的改进McEvily公式的低温疲劳裂纹扩展预报方法。结果表明：随着温度的降低，HTS-A钢的疲劳裂纹扩展速率逐渐降低。在-60 ℃时，HTS-A钢的低温疲劳裂纹扩展速率没有出现低温脆断，试验结果可为船用HTS-A钢低温疲劳设计提供数据参考。同时，分别采用本文HTS-A钢低温试验数据和文献中的钛合金低温试验数据验证低温疲劳裂纹扩展速率预报方法的合理性及正确性，该方法可用于预报不同低温环境下金属疲劳裂纹扩展速率。

双金属机械复合管是油气田集输管线防腐控制的主要措施之一，而内衬层的失效是制约复合管工程应用的关键难题。为研究双金属机械复合管内衬层屈曲失效机理，建立弯曲载荷下复合管力学模型，研究成型压力、工作内压及复合管结构参数对内衬层失效模式的影响规律。结果表明：增加成型后的残余接触压力有助于提高内衬层的抗屈曲能力；较高的工作内压能够延缓内衬层屈曲时间，减小其褶皱幅值；成型前复合管层间初始间隙减小有利于提高内衬层抗屈曲能力；随着外基管壁厚、内衬管壁厚、复合管内径的增加，内衬管的抗屈曲能力增强。

单壳体潜艇敷设声学覆盖层应具有机械噪声、水动力噪声和声目标强度控制的多功能特性，为此需要解决两个基本问题：其一，提高机械噪声低频控制效果；其二，实现覆盖层的多功能兼容性。本文从降低机械激励壳体声辐射角度出发，采用模态叠加法，建立无限大理想水介质中分层梯度声学覆盖层与有限长加肋圆柱壳的声振耦合及声辐射模型，基于声学覆盖层模态传递函数特性，计算分析声学覆盖层分层梯度分布及厚度、层数等参数对加肋圆柱壳辐射噪声影响的特征和规律，给出分层梯度声学覆盖层的特征声阻抗渐变参数分布并与敷设均匀声学覆盖层降噪特性比较。研究结果表明：加肋圆柱壳敷设内层至外层声阻抗逐渐递增，各分层取慢波速的声学覆盖层，具有比均匀声学覆盖层更有效地降低外表面振动位移的特性，可明显增加降噪效果，并扩展低频降噪范围。声学覆盖层的优化应增加声阻抗的内分层失配和外分层适配的效应，有利于降低加肋圆柱壳低频声辐射，并可兼顾降低声目标强度。

双层壳体齿轮箱不仅为齿轮传动系统提供弹性支撑，而且具有减振降噪作用。为了能够高效、高精度地预测双层壳体齿轮箱的减振降噪效果，本文基于模态综合法建立含有隔振器的某船用双层壳体齿轮箱柔性动力学缩聚模型，对比分析齿轮箱的缩聚模型与完全有限元模型的固有特性的差异性，并验证其缩聚模型的有效性。通过双层壳体齿轮箱缩聚模型的模态解耦率、模态贡献度、振级落差和内壳体倾斜度的分析，评估齿轮箱的隔振性能。结果表明：某船用双层壳体齿轮箱在平移方向上模态解耦率均在94.9%以上，模态贡献主要以第二至第六阶振型为主导；在激励频率1 ~ 6000 Hz范围内，双层壳体齿轮箱的振级落差可达到34.2 dB；当激励频率小于2000 Hz时，激励频率对振级落差和倾斜度的变化有着显著的影响。