针对超空泡射弹在水下航行过程中的运动稳定性问题，本文基于耦合欧拉—拉格朗日（CEL）方法，在对射弹尾拍航行的数值模拟、尾拍水动力载荷特性分析的基础上，对射弹的尾拍稳定机制进行研究，通过尾拍初始攻角、尾拍最大攻角、失稳临界攻角对射弹尾拍过程进行表征，并揭示超空泡航行稳定性与攻角的关系。而后，对本文锥台形式的射弹的航行稳定性进行评估，通过对其尾拍航行过程中压心位置变化的典型过程、射弹的静稳定度的分析表明，此超空泡射弹总体符合常规无控弹箭的12%~20%静稳定度要求。最后，本文得到超空泡射弹的外形设计需满足的空泡空间约束、尾拍航行稳定性约束以及静稳定度约束原则，进而从尾拍位置、尾拍范围的控制角度，对往复大扰动射弹的外形设计提出建议。

目前国际海事组织（IMO）已经发布了第二代完整稳性衡准骑浪/横甩直接稳性评估方法的最终指南，如何准确高效地数值预报骑浪/横甩运动是目前骑浪/横甩直接稳性评估方法中亟待解决的关键问题。本文构建一个纵荡-横荡-垂荡-横摇-纵摇-首摇六自由度运动耦合的数学模型，该数学模型首先在纵荡-横荡-横摇-首摇四自由度操纵性数学模型基础上考虑垂荡和纵摇运动的影响，采用基于加强积分的切片法求解垂荡和纵摇运动的幅值和相位，可以有效解决尾浪中高航速船舶直接耐波性时域计算容易发散的问题；其次，船舶在波浪中的Froude-Krylov力和绕射力是通过对船体平均湿表面进行压力积分获得的。同时，在数学模型中还考虑非线性水动力导数、静水横倾产生的水动力和非线性横摇阻尼等因素。在螺旋桨推力和舵力模型中考虑由于波浪粒子速度和船舶速度共存产生的水动升力的影响，舵力模型中还加入了垂荡、纵摇运动对波浪中双舵实时出入水导致的舵力动态变化。最后，以双桨双舵的ONR内倾船型为研究对象，开展尾斜浪中骑浪/横甩数值预报，分析船-波的初始相对位置对船舶骑浪/横甩运动的影响。计算结果表明，文中建立的六自由度骑浪/横甩数学模型具有足够的计算精度，可以用于骑浪/横甩的直接稳性评估。

如何有效地抵御长周期波浪是目前海岸工程所需解决的难题。板式防波堤对长周期波浪具有一定的消浪效果，且施工方便、造价低廉、适用范围广，对其进一步的研究具有重要意义。本文基于数值模拟软件FLOW-3D，建立数值造波水槽，以防波堤相对板长L₀/L、相对板间距j/L、相对板厚d/H及板数N为研究参数，给出平板阵列防波堤最佳布置方案及尺寸。模拟结果表明：结构参数相对板厚d/H=0.1，板数N=4，相对板间距j₁/L=0.3，j₂/L=0.1，相对板长L₀/L=0.6，非均匀布置四板型式平板阵列防波堤的消浪效果最好，说明该布置形式对周期小于8 s（原型周期T=25.28 s）的长周期波有良好的消浪效果。

海豚等齿鲸亚目类动物具有高速游动能力，是水下仿生减阻的重要研究对象。本文根据海豚皮肤结构及自适应变形等特性进行工程尺度的仿生研究，设计一种以壁面边界层法向速度为输入信号的壁面变形运动控制方程，并通过动网格技术仿真模拟得到变形壁面的减阻性能。研究结果表明，在0.5~10 m/s流速下变形壁面最优摩擦阻力减阻率为19.24%，最优总阻力减阻率为6.4%。施加仿生控制后壁面湍流边界层厚度有所增加，表面摩擦阻力减小，流场湍动能降低。将该仿生变形壁面应用于无附体SUBOFF潜艇模型表面开展减阻设计，在3.045~8.231 m/s的速度范围内，潜艇总阻力减阻率均大于8.0%。

海上火箭发射船在海洋环境载荷与发射冲击载荷作用下将发生复杂的非线性运动响应，对火箭发射的安全性有着至关重要的影响。本文基于三维势流理论研究不同海况风浪与冲击载荷作用下某海上火箭发射船的运动响应特性，并分析船舶有无动力定位系统、发射点火时间的选择等因素对发射船运动特性的影响。结果表明：发射冲击载荷对船舶的纵摇运动影响较大，尤其是在风浪方向和船舶方向平行时，纵摇角较大；动力定位系统的存在会增加发射船的横摇角度；发射点火时间选择在发射船纵摇运动即将达到极值并折返的时刻，可减小发射船纵摇运动对火箭起飞姿态的影响。

本文基于开源代码OpenFOAM，采用基于全非线性势流方法与粘性流方法耦合的混合模型，结合桨舵推进模型，模拟单桨船在波浪中的回转和Z形操纵运动。外场采用全非线性势流方法（FNPT）模拟波浪水池，内场采用粘流方法模拟波浪与船舶相互作用，采用考虑波浪影响的桨舵力学模型计算航行中的桨舵推进受力，实现船舶在波浪中六自由度操纵运动的仿真。采用KVLCC2模型用于数值模拟，通过自航试验对比验证方法的有效性。模拟初始横浪条件下船舶波浪中操纵运动，通过改变波长研究和分析横浪下波长对船舶回转性能和机动性能的影响。

液舱晃荡现象在航行船舶中普遍存在，不仅会影响船舶稳定性，还会对海洋环境与人类生产生活造成威胁，如何减轻液舱晃荡幅度一直是海洋工程的重点研究问题。本文将基于改进的移动粒子半隐式法——BM-MPS法，对横摇激励作用下垂直开孔隔板的减晃效果进行二维数值模拟研究，探讨挡板孔隙率、横摇幅度对共振周期及冲击压历时曲线形态的影响。研究结果表明：孔隙率大小对共振周期有明显的影响，孔隙率15%是达到共振时最大冲击压最小的点，并且处于共振周期发生明显转变的过渡期；冲击压历时曲线与孔隙率也有密切的联系，随着孔隙率的增大，冲击压历时曲线形态从无峰变为单峰，再改变为双峰。除此之外，横摇激励幅度也是影响共振周期的因素之一。

采用粒子图像测速技术（particles image velocimetry，PIV）研究沟槽对含有355 μm聚苯乙烯颗粒的液固两相湍流边界层的影响规律，通过对比流过沟槽壁面与光滑平板含颗粒流的平均速度剖面、湍流度及雷诺切应力等湍流统计量，分析沟槽对两相湍流边界层特性的影响。采用空间多尺度、局部平均结构函数和λ_ci涡量识别准则准确识别发卡涡展向涡的涡心，并提取周围脉动速度及流线的空间拓扑结构，对不同法向高度处顺向涡的数量规律进行统计分析。结果发现：与光滑平板相比，沟槽壁面平均速度剖面缓冲层部分抬升，对数区外移，壁面摩擦速度和摩擦切应力变小，表现出4.86%的减阻效果；在同一法向高度，相较于光滑壁面，沟槽壁面下检测到的顺向涡结构倾角较小，数量也较少，周围流向脉动速度较弱，说明在两相流中沟槽壁面能够削弱发卡涡的强度和发生可能，达到减阻的效果。

本文在分析偏心艉轴承润滑性能的基础上，建立艉轴承局部磨损和刚度的弹流耦合润滑模型，并编写有限差分法和有限元法联合程序求解轴承弹性变形，采用质量守恒边界条件代替雷诺边界条件，详细讨论局部磨损深度、轴承弹性模量等因素对轴承流体动压力、液膜厚度、空穴区域和摩擦力规律的影响。结果表明：刚体轴承局部磨损深度低于阈值时有益于轴承润滑，而超过阈值时对应的最大流体动压、摩擦力和空化区域将明显增加；轴承弹性形变对计算结果影响不可忽视，弹性形变和局部磨损同时存在，其变化规律与刚体轴承局部磨损变化趋势基本一致。

针对静水外压下纤维缠绕复合材料圆柱厚壳的临界屈曲载荷理论预报，本文基于Sander非线性壳体理论，结合圆柱壳变形几何方程以及纤维缠绕层的本构关系，推导出静水外压下纤维缠绕复合材料圆柱厚壳的屈曲控制方程；通过求解控制方程提出一种适用于静水外压下复合材料圆柱厚壳临界屈曲压力预报的解析方法；基于有限元模型对不同缠绕形式和缠绕角下的壳体临界屈曲压力进行对比计算，验证解析方法的准确性；基于解析方法，研究复合材料圆柱厚壳关键几何参数及材料设计对临界屈曲压力的影响。

温差能发电是近年海洋可再生能源研究的热点，悬垂取水管作为温差发电装置中提取深层冷海水的关键结构，其涡激振动响应特性尚不明确。本文开展了均匀流下悬垂管的涡激振动水池模型试验，利用光纤光栅应变传感器测量涡激振动应变响应，通过模态分析法、小波变换等数据处理方法研究悬垂管的幅值和频率特征。分析试验结果发现：均匀流作用下，悬垂管的涡激振动位移响应最大幅值主要位于悬垂管底部；柔性悬挂立管IL（in-line）和CF（cross-flow）主导频率基本满足二倍频关系，但是在模态转换的流速工况下会出现IL和CF方向主导频率相同的现象，同时伴随着明显的“行波”、“多频响应”以及“时间共享”特征；处理得到背景洋流作用下悬垂管的CF和IL方向斯特哈尔数分别为0.15和0.30，略小于以往两端铰支柔性立管试验结果，该值将为悬垂输水管涡激振动预报研究提供参数输入。

基于微观断裂机理的循环孔洞扩张模型是一种进行超低周疲劳断裂分析及预测的有效方法。在该方法中，孔洞扩张指数与损伤退化参数是控制裂纹扩展进程的重要参数。受生产工艺的影响，不同批次钢材的孔洞扩张指数与损伤退化参数往往存在较大差异，使得对结构的超低周疲劳断裂分析存在准确性不足的问题。为解决上述问题，本文采用光滑圆棒、平滑槽口圆棒及缺口试样开展试验，进行钢材超低周疲劳特性研究，探索试样开裂机制和损伤演化规律；其次，编写基于循环孔洞扩张模型的VUSDFLD程序，结合圆棒试验结果进行有限元分析，校准孔洞扩张指数及损伤退化参数；最后，基于前述理论和程序，开展缺口试样超低周疲劳断裂研究，分析裂纹萌生及裂纹扩展速率，并就试样的超低周疲劳断裂寿命展开预测。结果表明，基于循环孔洞扩张模型的超低周疲劳断裂进程与试验结果比对良好，适用于超低周疲劳断裂寿命预测。

疲劳问题作为工程领域常见的破坏形式受到了广泛关注。基于断裂力学的疲劳分析方法可以获取可无损检测的疲劳损伤-裂纹尺寸，但计算较为复杂。针对海洋工程结构物疲劳分析中的谱分析法，本文通过遗传优化的小波神经网络建立一种同一热点下各随机载况的应力强度因子谱，结合有限元分析获取的应力强度因子进行网络训练。结果表明，该模型可对各随机载况下的SIF谱进行较好的预测。本文所提出的方法可大幅减少重复性有限元计算，为裂纹扩展方法应用于随机载况下工程结构的疲劳寿命预报提供一种思路。最后，结合裂纹扩展单一曲线模型实现随机载况下裂纹扩展量的快速预报。

为了有效减小传统近场声全息声场重建过程中的“窗效应”和准确利用有限测量孔径测量并定位潜艇的表面声源，提出一种基于二级迭代的局部近场声全息方法。首先，通过改进基于正交球面波的局部近场声全息方法，提出基于二级迭代的局部近场声全息方法；然后，仿真对比上述两种局部近场声全息方法的重构结果，研究外推误差和扩展测点数对重构精度的影响；最后，在消声水池中利用小孔径全息测量面进行基于二级迭代的局部近场声全息的实验研究。结果表明，基于二级迭代的局部近场声全息能大大减小有限测量孔径带来的“窗效应”和“孔径重复效应”误差，验证了该方法的优越性，可为水下大尺寸声源的近场声全息精确测量提供重要参考。

夹层板作为一种新型结构，具有设计性强、重量轻、比刚度高、减振隔声性能好等优点，已被应用于各种工程结构。然而，其夹层结构形式种类繁多，对复杂夹层结构的隔声性能进行理论分析比较困难，亟需开展新的近似分析方法。本文针对船用C型夹层板，基于弹簧、扭簧与集中质量的等效方法，建立C型夹层板的声振耦合控制方程，利用空间谐波展开法，推导C型夹层结构的传声损失表达式，讨论夹层板系统参数对结构隔声性能的影响规律。结果表明，材料属性与夹层板结构面板的厚度对C型夹层板结构隔声性能的影响较大。同时，通过有限元仿真，验证了理论分析的有效性。