本文首先根据已有的脐带缆运动控制方程，通过引入与工作船和水下机器人连接点处边界条件和速度耦合关系，与水下机器人运动方程一同构成完整的水动力数学模型；其次提出收放脐带缆的前馈-反馈控制方法和调节螺旋桨转速的增量式PID（Proportion Integration Differentiation）算法，建立完整的带缆水下机器人系统水动力与控制模型；最后对所提出的模型进行数值模拟实验验证与运动控制操纵下的水动力分析。数值计算结果表明：本文所提出的带缆水下机器人系统水动力与控制模型是有效可靠的，垂向运动控制过程中，水下机器人纵摇角、横摇角和沉深的模拟值与实验值最大误差分别为2°、1°和-50 mm；对于PID算法，调节螺旋桨转速控制水下机器人对给定位置信息的跟踪响应效果，模拟值与实验值相差均不大；轨迹跟踪模拟计算沿水平（X轴）方向和竖直（Z轴）方向最大相对误差分别为10%和15%；水下机器人竖向（沿Z轴）运动主要由调节脐带缆长度的前馈-反馈策略决定，沿水平（X轴）方向的运动主要由调节螺旋桨转速的PID算法控制；机器人水动力载荷受其周围流场变化的影响，而流场的变化主要由机器人运动速度的改变和螺旋桨转速变化二者共同决定。

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，本文针对三维时域面元法开展绕射力计算研究。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，记忆项的求解采用Beck团队的方法；其次，推导出全浪向绕射力脉冲函数法编程所用的数学表达式；然后，采用分布源模型求解源强和速度势，并采用压力直接积分法求出时域绕射力；最后，针对Wigley I船型开展绕射力和FK力计算，并与公开的试验和计算结果进行对比，验证本文方法的可靠性。本文方法和代码可用于船舶工业CAE软件势流求解器和波浪中船舶非线性失稳运动预报。

内倾船型的艏部构型对船舶在波浪中的运动和上浪载荷特性具有一定的影响。本文基于艏柱倾斜角度选取了倾角为30°、45°和60°的三种艏部构型方案，采用中国数值水池-直角网格有限差分方法（CNT-CGFDM），研究了在不同的艏部构型方案下内倾船型在规则波中的运动响应以及甲板上浪载荷特性。其中物体边界及运动的模拟采用浸没边界法来实现，并利用THINC/SW方法来捕捉自由液面。选取艏柱倾角为45°和60°的船型进行模型试验研究，与试验值相比，本文的数值模拟结果吻合良好。结果表明：艏部构型对内倾船型在规则波中的运动响应总体上影响较小，只在某些海况下表现出一定的局部差异，但对内倾船型的上浪砰击载荷则有一定的影响，相较于倾角为30°和60°的构型方案，艏柱倾角为45°的内倾船型在甲板上浪中的载荷性能更加优异。

冰脊是极地冰层下表面典型结构特征之一，掌握冰脊与冰下流场的相互作用规律，对于理解极地冰下航道适航特性及近冰面潜水器操纵运动具有重要的指导意义。为了探究冰脊对近冰面流场的影响及作用范围，本文基于极地实测数据建立五组典型分布间距冰脊流场，利用Fluent软件平台，通过稳态求解Reynolds应力方程模型（RSM）进行数值研究，重点分析冰脊间距对冰下流场特性的影响规律。同时，探究冰脊对冰下流场干扰的辐射深度。研究表明：连续冰脊对冰脊间尾涡具有拉伸效应；根据冰脊对冰下流场的干扰程度，辐射深度可分为强辐射区、稳定辐射区和无影响区三个区间。

本文针对载人潜器水面零航速漂浮状态下的入水砰击载荷计算方法进行研究，给出基于频域和时域运动响应结果进行砰击压力预报的计算流程，推导砰击压力极值计算公式，并对某载人潜器进行频域和时域砰击压力预报。根据计算结果发现：频域方法由于未考虑船体运动和波面倾角对入水角的影响，适用于计算船体摇荡对入水角影响不大的船型；对于载人潜器，艇体的大幅运动会使入水角减小，导致砰击压力系数的明显增大，此时应基于时域方法进行砰击载荷计算，以避免砰击载荷的低估；在零航速工况下，潜器在迎浪一侧的砰击压力会明显大于另一侧，因此艉部在随浪下的砰击压力较大，而艏部则在迎浪工况下砰击压力较大。

针对滑行艇高航速下姿态变化显著、数值计算时艇底易于出现气-水异常现象的问题，基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法及动网格技术，采用人工干预结合六自由度（6-DOF）运动模型解决自由面与网格的匹配问题，采用高分辨率交界面捕捉技术结合流体体积模型（HRIC-VOF）的方法计算气-液相分布，通过探索HRIC-VOF的角度因子、锐化因子、库朗数上界值、库朗数下界值、时间步长等对艇底气-液相分布及总阻力的影响规律，获得可有效计算高速下滑行艇阻力及自由面兴波的数值计算方法。通过与试验结果进行对比，在模型速度V_m=2~13 m/s（F_V=0.96~5.78）时的阻力计算误差小于4.5%。

为研究Spar平台在均匀流作用下多自由度耦合的涡激运动特性，本文基于STAR-CCM+求解器建立了考虑流固耦合的Spar平台涡激运动数值模型，探讨了纵荡、横荡、垂荡、纵摇和横摇五个自由度的耦合效应。结果表明：Spar平台在横荡、垂荡与横摇三个自由度发生明显“涡激共振”现象，并且垂荡与横摇自由度“涡激共振”现象发生的速度区间基本一致；横荡与横摇自由度保持着较高的耦合性，横荡共振时横荡与横摇的运动主频保持1：1的关系，横摇共振时横荡运动频谱的次峰频率等于横摇运动主频；纵荡、垂荡与纵摇三个自由度存在复杂的非线性耦合运动关系，不仅纵荡、垂荡的运动主频始终存在于纵摇频谱中，而且纵摇与纵荡、纵摇与垂荡的耦合程度在不同的折合速度范围内存在差异。

海上风能资源远超陆地，而我国海域随着离岸距离增加，大陆架水深增加幅度减缓，针对此特点，如何优化设计适应我国海域水深条件的系泊系统是目前发展浮式风机遇到的重大难题之一。本文以5MW-OC4半潜式浮式风机作为研究对象，浮式风机采用悬链线式系泊方式，使用SESAM软件在渤海某海域40 m水深下对浮式风机进行频域和时域计算。系泊配件在单独和组合使用时分别进行参数敏感性分析，再将浮筒和配重块组合使用对系泊系统进行优化。研究结果表明：浅水条件下，系泊配件组合使用和单独使用时改变相同系泊参数对浮式风机整体响应影响规律相同，但组合使用时改变系泊参数对系泊系统性能优化的效果要更明显，组合使用时更改配重块位置参数时均值的优化差值能达到15.7%，而纵荡、纵摇以及张力响应的优化差值基本都在10%以内，因此选择合理的配件组合方式可以显著改变浮式系统的整体特性并影响系统的安全性和成本。

高精度监测推进轴系推力对船舶快速性预报、船-机-桨优化匹配及轴系健康管理等具有重要意义。然而，对于超长推进轴系，由于其跨距大、细长比（轴系半径与长度之比）小、且承受推力大，此时轴系将产生严重弯-纵耦合非线性变形。这将对基于应变或变形位移等形变信息来测量推力的方法产生重要影响。因此，本文研究推进轴系弯-纵耦合非线性效应对推力测量精度的影响。考虑Von Karman非线性位移-应变关系，利用Hamilton变分原理结合有限元方法建立推进轴系非线性力学模型，研究弯-纵耦合效应对轴系变形位移和应变的影响规律，以及由此引起的推力测量误差。研究结果表明：在低转速时，轴系弯-纵耦合效应较弱，对推力测量影响很小；高转速时，忽略轴系弯-纵耦合效应将引起较大测量误差（240 r/min时，误差可达13.95%）；测点越靠近螺旋桨，弯-纵耦合效应越强，推力测量误差越大，因此将测点布置在轴系前端推力轴承附近可有效减少轴系弯-纵耦合效应引起的测量误差。研究结果对跨度大、细长比小的超长轴系推力测量有指导意义。

按照共同结构规范要求，对于船舶舭部板的船体梁极限强度和残存强度计算，规定在一般情况下应将其视为硬角单元，但未明确可以将其视为硬角单元的具体条件。本文利用共同结构规范对于曲板屈曲能力的评估方法和非线性屈曲有限元分析方法，对船舯区域和船舯以外区域的典型几何形状的舭部曲板进行了研究，得到了在共同结构规范要求的船体梁极限强度和残存强度计算中，舭部板可以被视为硬角单元的简要条件。

极地船舶结冰是空气或海水中的过冷液滴落到船上后形成的。过冷液滴中的结晶核形成后，晶核进一步凝固放热使液滴温度重新回到凝固点并形成冰水混合物的过程被称为再辉，这是冻结阶段的开始。使用相场法，对不同过冷度下结冰再辉过程进行模拟，研究再辉后的结冰形貌和冰相比例。结果表明，过冷度对再辉结果有一定影响，再辉过程中的枝晶生长速度先快后慢，再辉结束后的冰相比例随过冷度增大而增大，过冷度从30K增至45K时，冰相比例从11.92%增至29.17%。

本文采用水平冲击试验装置开展楔形刚性冲头与楔形冰体反复碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应实验，研究蜂窝金属夹芯板结构塑性变形损伤、下面板位移时程曲线和碰撞力时程曲线等动态响应特性，分析冰体反复碰撞和刚体反复碰撞对蜂窝金属夹芯板动态响应的差异。研究结果表明：随着楔形冰体反复碰撞次数的增加，碰撞力峰值持续增大，碰撞接触时间明显缩短，蜂窝金属夹芯板上下面板的局部凹陷和整体弯曲变形逐渐增大，蜂窝芯层压缩量逐渐增加直至密实化；由于碰撞过程中存在冰体破碎现象，冰体碰撞接触面积增大，与刚性反复碰撞相比，冰体反复碰撞作用下夹芯板上面板中点的最终挠度偏小，但局部损伤面积明显偏大；随着碰撞次数的增加，蜂窝金属夹芯板结构塑性累积变形由一条塑性铰线发展演化为椭圆形塑性区。

Mn25Al7钢是一种新型的轻质高强船用钢，目前针对Mn25Al7钢的疲劳性能尚未开展相关试验研究。本文对Mn25Al7钢的母材、对接焊接接头及T型焊接接头等典型节点进行疲劳试验研究，分别基于名义应力方法和热点应力方法拟合得到典型节点疲劳等级曲线，并与现有规范的疲劳等级曲线进行对比分析。对三种试样的断口形貌进行观测，分析其裂纹扩展规律和断裂机理。试验结果表明：Mn25Al7钢母材疲劳寿命高于按规范设计的普通钢材；规范低估了母材和磨平焊趾的对接焊缝接头疲劳寿命，但能较好地评估T型焊缝接头的疲劳寿命。通过对比分析三种试件的损伤速率差别，进一步对断口形貌进行了系统分析，发现初始裂纹源和焊接残留物会造成疲劳强度的降低。本研究可为船用高强钢的疲劳寿命预测提供理论依据和试验支撑。

针对弹体高速入水过程中的降载问题，设计一种硬质聚氨酯泡沫缓冲器。基于霍普金森压杆实验技术，获取冲击载荷下硬质聚氨酯泡沫密度和应变率效应，构建其宏观本构模型。采用拉格朗日-欧拉流固耦合方法（ALE），建立弹体入水冲击数值仿真模型，验证所建本构关系及ALE方法的合理性，对加装缓冲器的弹体高速入水问题进行数值仿真计算，获得入水过程中硬质聚氨酯泡沫的动态破坏过程及弹体运动参数，从而分析硬质聚氨酯泡沫密度、厚度对降载特性影响规律，讨论不同入水速度下硬质聚氨酯泡沫参数的设计方法。研究结果表明：硬质聚氨酯泡沫动态力学性能应变率效应不明显，但密度效应明显，缓冲降载性能随硬质聚氨酯泡沫密度和厚度的增大而升高。

本文针对潜艇声纳透声窗低频水动力噪声控制需求，基于平板与声腔的耦合振动方程，利用声振传递矩阵、模态展开法以及湍流边界层脉动压力频率波数谱等，建立多层复合平板的水动力自噪声计算模型。根据动力吸振特性分析，形成分布式吸能单元控制下的平板振动噪声方程，评估分布式吸能复合结构透声窗水动力自噪声，通过循环水槽试验验证其水动力自噪声降噪效果，为新型低噪声透声窗设计提供技术支撑。