超空泡航行体通气规律对空泡形态控制具有重要意义。本文描述了在高速水洞中建立水下航行体通气率对超空泡形态及稳定性影响的一种试验研究方法。基于不同空化器和模型攻角条件下的空泡形态及通气率测量试验结果，总结得到无量纲通气率计算的经验表达式。通过对有、无尾翼条件下的通气率试验进行比较，初步获得尾翼对超空泡泄气的影响规律。研究结果表明，通气率需要保持在一定范围内方可获得形状稳定、边界清晰的通气超空泡。依据试验结果给出了超空泡稳定性的判别方法。

针对潜艇机动状态非定常运动数值模拟方法提升的实际需求，本文采用基于重叠网格的方法对潜艇六自由度耦合运动及各操纵面的独立运动直接数值建模，并利用滑移网格技术直接模拟艇后螺旋桨的转动，进行潜艇水下自航模的数值模拟方法研究。通过开展潜艇自航模水下直航、水下回转、水平面Z形操舵、紧急倒车等典型工况的数值模拟，重点解决潜艇操纵状态下艇/桨/舵水动力耦合建模、自动舵的PD（proportional-derivative）数值控制实现等问题，建立基于重叠网格的潜艇自航模数值模拟技术途径。同时对潜艇操纵状态下艇体周围流动现象以及运动学与动力学参数时历变化过程进行分析，通过将典型运动参数数值模拟结果与水池物理模型试验结果进行对比，验证其工程预报实用性。研究结果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。

路径规划是无人艇实现自主航行的关键技术之一，良好的路径规划方法对无人艇的智能化发展具有重要意义。而在已有的路径规划研究中，并未考虑无人艇的操纵性能。为了使规划的路径具有较短的航行时间、路径长度以及较优的路径跟踪能力，需将无人艇自身的操纵性能与路径规划算法相融合。为精确地预测船舶的操纵性能，本文以槽道型无人双体船为研究对象，通过CFD技术开展斜航、纯横荡和纯艏摇三种平面运动机构仿真试验，使用不同水动力模型对仿真结果进行拟合，计算得到相应的水动力导数。同时采用MMG模型，建立船舶操纵运动数学模型，模拟无人双体船的回转运动和Z形运动，分析不同水动力模型对仿真结果的影响，并实现无人双体船的操纵性预报。

建立调谐多液柱阻尼器（TLMCD）与浮式基础的缩尺模型，在水池内开展试验，研究规则波激励下TLMCD对浮式基础纵摇运动响应的控制效果；同时利用OpenFOAM建立数值模型并进行验证，从流场、水动力载荷、浮体运动姿态和阻尼力做功等方面，分析TLMCD与浮式基础耦合的作用机理。结果表明：TLMCD在共振激励下的减摇效果最佳，2%质量比的液体可以降低浮体在共振激励下最大纵摇响应的10.84%~18.53%，在0.9<T/T₀<1.1范围内TLMCD能实现至少7.32%以上的减摇效果；共振条件下液舱晃荡产生的水动力做正功的时间占比为89.52%，液柱内液体的晃荡周期性为浮体提供反向的阻尼力矩。

为了评估波浪滑翔器弹簧水翼机构在波浪中三维效应对其动力学性能的影响，本文基于重叠网格技术建立波浪滑翔器弹簧水翼机构的数值计算模型，并利用CFD FLUENT软件对二维和三维水翼之间的动力学性能进行分析与研究。结果表明，由于三维水翼展长有限，在翼端处产生梢涡现象，造成水翼动力性能减小，与二维水翼相比，三维水翼的前向推进效率减少22.3%。接着，利用仿生学原理设计波浪滑翔器仿生水翼，发现仿生水翼降低了梢涡对水翼动力性能的损失，同时对比相同展弦比的三维水翼，仿生水翼的前向推力提高了17.6%，效率提高了10.7%。最后，通过实验对比发现CFD仿真数据与试验数据具有相同的趋势，CFD仿真模型的可靠度得到验证。

边界层发生分离的两个必要条件是流体粘性和正压梯度，设计外形使其表面具有尽量大的负压梯度区域，延缓边界层转捩和流动分离，从而达到减阻目的。本文采用基于细长体理论的流动不分离外形设计方法，设计临界速度为100 m/s的航行体外形，运用数值仿真分析其在不同速度和攻角情况下的流动特性。研究发现，0°攻角下仿真得到的压强分布与理论计算结果一致，摩擦阻力与估算结果一致，证明可以通过外形设计使航行体边界层在高雷诺数条件下保持层流流动不分离状态，以达到大幅减阻的目的；小攻角不会破坏航行体表面流体附着状态，但攻角会使流动出现横向漩涡，边界层发生转捩，使阻力明显增加，但减阻效果仍然存在。

为提高船体结构可靠性优化设计这类多参数、高维度、高非线性优化问题的效率，弥补传统船体结构确定性优化设计对影响结构安全不确定性因素考虑的欠缺，本文以一艘江海直达船为研究对象，采用BP（Back Propagation）神经网络代理模型技术，结合SMOTE（Synthetic Minority Oversampling Technique）过采样算法增加极限状态失效面附近样本点数量，实现以较少的样本点获得较高精度的船体舱段结构极限状态代理模型，进而利用蒙特卡洛抽样模拟方法编制船体结构可靠度计算程序，在结构可靠性分析的基础上以降低船体舱段结构重量为目标，采用模拟退火优化算法开展船体结构可靠性优化设计。本文建立了一套完整有效的、基于代理模型技术的船体结构可靠性优化设计系统，有效提高了优化设计的效率，对江海直达船体结构可靠性优化设计具有指导意义。

为了明确极区直立宽大结构局部冰压力幅值及压力面积曲线的影响因素，本文首先对ISO 19906规范中的局部冰压力计算方法进行了分析，发现其局限性较大。其次，基于离散元方法模拟不同海冰条件与多种尺度结构的相互作用，发现局部冰压力幅值随冰厚的增大而明显增大，随结构宽度的增大而减小；局部冰压力幅值及其标准差随宽厚比的增加而减小，表现出明显的尺寸效应。最后，采用方形区域平均法研究了冰厚和宽度两种尺寸因素对压力-面积曲线参数的影响，选取某种相似工况与ISO规范进行对比。验证了离散元模拟方法处理局部冰压力-面积曲线的合理性，可为平台的抗冰性能分析和结构设计提供一定依据和参考。

现有的疲劳S-N曲线已不再适用于北极的低温环境，为了评估北极海洋工程设备材料的低温疲劳寿命，有必要建立金属结构尤其是焊接结构的低温疲劳S-N曲线。本文基于等效结构应力法，计算出Q690高强钢管环焊缝的主S-N曲线，并通过共振疲劳试验对该方法进行了验证。在此基础上，结合大量的高强钢焊接结构试验结果，将温度敏感因子c引入到低温疲劳主S-N曲线的推导中，首次建立了基于低温金属焊接结构的主S-N曲线，并对文献中的疲劳S-N试验数据和ASME中的修正方法进行了对比和验证。结果表明，等效结构应力法能够较准确地计算出焊缝疲劳S-N曲线，推导出的金属焊接结构低温主S-N曲线与试验曲线吻合较好，能够满足低温地区工程要求，可为高强钢焊接结构在北极地区低温环境中的广泛应用提供理论指导。该方法可以为金属焊接结构的低温疲劳研究节省大量的成本，减少非标准试验操作造成的不必要的误差。这对北极海洋工程设备的设计、安全运行和疲劳评估具有重要意义。

建立悬挂撤离状态井下管柱纵、横向耦合动力学数值分析模型，同时考虑平台横向撤离以及纵向升沉运动，给出软、硬悬挂边界条件。采用有限单元法进行离散，结合Newmark-β法求解动力学方程，并通过实验验证数值模型的正确性。针对南中国海深水井，分析了悬挂状态的井下管柱纵、横向耦合动力学特性，研究结果表明：纵、横向耦合条件下，井下管柱悬挂撤离时在横向呈现出波浪状位移形态，纵向呈现周期性振动；硬悬挂与软悬挂状态下最大横向位移和纵向位移都出现在管柱最底端；硬悬挂状态下管柱顶端位移较小、弯矩出现极大值；软悬挂状态下管柱顶端位移急剧增加，弯矩在水面附近出现极大值；悬挂撤离状态下管柱纵向位移包络线范围从顶部向底端逐渐增大，而轴向张力包络线范围从底部向顶部逐渐增大；另外，硬悬挂状态下管柱在顶端附近出现轴向压缩，存在发生屈曲失效的风险。

本文针对船舶推进轴系轴承动载荷准确识别的难题开展研究，提出一种基于频响函数求逆并采用全实测数据的频域反演识别方法及相应的数据处理和评价方法；然后，针对推进轴系振动试验台架，开展三种类型外激励作用下的径向轴承动载荷反演试验进行验证。试验结果表明：不平衡、随机振动、脉冲激励下轴承动载荷的反演识别结果与直接测量结果在10 Hz~1 kHz频带内的幅频和相频曲线趋势一致，吻合度高；10 Hz~1 kHz频带内，不平衡激励下的轴承动载荷反演误差为0.21~3.5 dB，随机振动激励下为2.03~2.53 dB，脉冲激励下为2.16~4.64 dB，验证了反演识别方法的可行性和准确性。

将势流方法和CFD方法相结合的势粘流耦合方法，在船舶与海洋工程领域的波浪演化、波浪与结构物相互作用等问题中逐渐受到关注。势粘流耦合方法在保证计算精度的同时可以有效降低数值模拟的计算成本，使得实尺度的流固耦合精细模拟成为可能。本文对面向船舶与海洋工程水动力应用的势粘流耦合方法的发展和研究现状进行了总结，通过区域分解和方程分解两类耦合方法展开论述，分析其优势与面临的挑战。

回转体水下带攻角高速运动时，诱发附着在物面的大尺度非对称云状空泡流动，空泡末端云状局部空泡界面失稳诱发高量值脉动压力对回转体结构强度产生重要影响，是工程研制面临的重要基础性难题。本文对绕回转体非对称云状空泡流相关研究情况进行梳理，详细地介绍在非对称云状空泡流实验和数值模拟方法、非对称云状空泡流场结构与界面稳定性、流动调控机制等方面的研究情况，并分析未来发展趋势，给出后续需要重点关注的研究方向的建议。