海洋立管涡激振动是威胁海洋立管作业安全的重要因素。本文从能量的角度分析，将涡激振动状态下作用于立管的水动力载荷分为起能量输入作用的激励力、能量耗散作用的阻尼力和不做功的附加质量力。前两者在能量上相互竞争决定最后流体对结构的能量作用。进一步地，本文详细推导了新载荷模型下基于柔性立管模型实验的关键载荷系数识别方法。通过柔性立管水池拖曳实验，识别得出了不同流速工况下涡激振动响应及载荷系数分布特性。结果表明：均匀流作用下柔性立管的涡激振动响应具有多模态参与特性，并由此导致水动力载荷系数存在系数“阶跃”现象；激励力系数及阻力系数与涡激振动幅值具有显著的关联关系，初步建立了能量竞争载荷模型下水动力载荷系数经验模型。本研究对未来海洋立管快速经验预报方法的发展具有参考意义。

船体低频波浪载荷的精确确定，构成了船体结构设计不可或缺的基石与核心挑战。工程中往往会采用船模试验进行波浪载荷预报。可试验数据往往会因各种原因产生缺损或异常，如何通过这些存在缺损或异常的试验数据对波浪载荷进行预报，是目前工程上的重要难题。本文提出了一种波浪载荷预测方法，针对缺损或异常的试验数据可高效且准确地预测水面船体波浪设计载荷。文中结合二维切片理论计算的5400组波浪载荷数据，构建了机器学习迁移网络，创新性地加入微调网络层处理缺损数据，同时设计新损失函数忽略零项，从而提升网络适应性。该方法通过迁移仿真结果至船模试验，实现了波浪载荷的快速预报，预报精度达到了90%以上。此技术显著提升了设计效率，降低了人力成本，并充分利用了现有数据资源，为船体结构设计提供了可靠且高效的波浪载荷预测方案。

近年来，船东对船舶在实际运营的真实海洋环境中的航行性能越发关注。目前，船舶设计主要基于静水中性能开展优化，与实际海况具有一定的差异。本文针对船舶风浪中的快速性影响因素开展研究，以系列油船、散货船和集装箱为研究对象，采用二维切片法计算在典型海况BF6和BF8下的波浪增阻，并采用图谱法对螺旋桨进行重新设计，研究船舶主参数及螺旋桨轻转裕度对风浪中船舶性能的影响。结果表明：主参数对于油船和散货船的波浪增阻影响较大，对集装箱船影响较小，因此在船舶风浪中性能优化时需要根据船型分别考虑；此外，随着螺旋桨轻转裕度的增加，船舶静水和风浪中的推进效率降低，船舶在恶劣海况下低速航行所需的收到功率越低，船舶功率的预留空间更加充足。

水下物体在密度分层环境中运动时产生的内波尾迹与其航行速度具有密切关联。本研究在宽域密度分层模拟水槽中建立了跃层注水技术，并提出了高精度、多线阵的电导率探测方法，开展了以循环拖曳方式驱动的水下圆球激发内波尾迹实验。基于概率密度统计、波幅根均方差等分析方法，深入探究了内波相关Froude数的时空概率分布密度、转捩区域划分及垂向位移场特性等关键问题。研究表明：该实验系统及技术能够精细地捕捉分层流场内部的波动信息，准确地获取内波尾迹特征随Froude数的变化关系；内波相关Froude数的概率分布密度揭示了内波尾迹的转捩过程，清晰给出了转捩区域约为1.6 ⩽ Fr < 3.3；辨明了在转捩结束后尾迹波系内外层区域的主导内波相关Froude数分别约在[0.3，0.4]和[2，2.8]的范围内，且在外层区域仍可测得Lee波相关速度。

海上浮式结构物不断向大型化发展，极端状态下大型海上浮式结构物的雨载荷成为设计人员关注的焦点问题之一。本文基于离散粒子模型和雨载荷计算公式，完成了海洋平台不同风场和雨滴谱组合状态下雨载荷计算，其研究表明：波动风引起的雨载荷离散度远大于雨滴谱；波动风作用下的海洋平台雨载荷服从Gamma分布，时变雨场引起的雨载荷变化服从正态分布；当降雨强度R=800 mm/h时，超越概率为95%，雨载荷占比为4.65%，最大雨载荷占比为8.07%。上述研究成果有助于揭示海洋平台雨载荷的影响因素，可为设计人员合理选取雨载荷提供数据支撑。

网衣是一种复杂的柔性结构体，在数值模拟中拖曳力系数的选取对于网衣载荷计算和变形模拟十分关键。通过在实际海域的网衣挂片试验获得真实的网衣样本，在实验室开展网衣载荷研究，确定不同海生物附着条件下网衣的拖曳力系数，数值模拟中采用莫里森模型的网衣等效方法，对5万方的大型养殖网箱网衣水动力载荷进行分析。计算结果表明，大量海生物附着网衣（密实度0.69）条件下的网箱载荷比少量海生物附着网衣（密实度0.28）条件的网箱载荷提高了60%以上，通过优化网箱的网衣布置可以降低网纲设计尺寸。

较高雷诺数条件下的涡激振动研究意义重大，而流场传感器一般固定在工程结构上，分析与模拟其在振动情况下的测量数据具有重要的实际意义。本文采用自主研发的流体计算程序及平动参考系方法，对圆柱的亚临界雷诺数三维绕流及涡激振动进行了模拟与分析。结果表明，该方法准确地模拟了涡激振动现象，涡振锁定区间内升力与位移之间的相位差产生了跳跃；涡振时流场中涡结构发生破碎，具有较强的三维特征，并得到涡振过程中壁面附近及尾流中时均物理量的空间分布情况。基于平动参考系的模拟方法，更加接近实验和实测中固定于结构上的传感器观测方式，对模型试验和现场实测具有一定的参考意义。

基于传统蜂窝夹层结构，本文提出了一种加强型蜂窝点阵夹层结构，并对其承载性能进行分析和优化设计。首先，使用3D打印技术制备了传统蜂窝单胞和加强型蜂窝单胞试件，并通过准静态压缩试验和数值模拟的方法验证了加强型蜂窝的承载性能较传统蜂窝单胞更为优异。其次，以加强型蜂窝中5个关键参数作为设计变量，分别创建了结构质量的Kriging代理模型以及能量吸收的径向基函数神经网络模型，通过多目标遗传算法调用代理模型进行承载性能优化设计，获得了加强型蜂窝单胞最优的结构参数，并对优化结果进行了试验与仿真验证。结果表明，在质量相同的条件下，优化后的构型比初始构型的能量吸收性能提高了24.25%，比传统蜂窝夹层结构的能量吸收性能提升了35.9%。

针对金属夹芯结构在主船体舱段结构中的实际应用，设计加工了一个I型金属夹芯复合舱段模型，通过四点弯曲极限承载能力模型试验获取了I型金属夹芯复合舱段的典型失效模式和极限承载弯矩，试验结果与非线性有限元计算结果吻合较好。试验结果表明：I型金属夹芯结构失效以整体屈曲为主，板格局部屈曲为辅。同时，I型金属夹芯结构具有较高的承载能力，可替代传统加筋板甲板和舷侧结构在舱段结构中应用。此外，金属夹芯复合舱段模型的制造成型，也演示验证了金属夹芯结构在船体结构中应用的可行性。

板结构的稳定性在船舶设计和强度校核中占据重要地位。为研究船体薄板的剪切稳定性，本文设计画框式夹具对方形薄板进行面内剪切屈曲试验，试验中采用三维数字图像相关法（3 Dimensions Digital Image Correlation，简称3D-DIC），获得了载荷-端部伸长率曲线、全场位移/应变等力学响应信息。载荷-端部伸长率关系揭示了薄板在面内剪切工况下的承载特性，确定了屈曲失稳临界载荷；通过分析薄板在典型时刻的位移场、应变场信息，发现薄板的法向变形会随面内剪切载荷增加而增大。薄板失稳后，沿垂直对角线存在对称分布的三个半波，内部波幅大于外部波幅，应变波形和云图在后屈曲过程中会趋于稳定。通过分析薄板关键点的法向位移和米塞斯应变随时间的响应曲线，提出并验证了一种识别面内受剪薄板屈曲失稳的新方法。本文为船用薄板面内剪切稳定性的试验研究和力学行为分析等提供了有益参考。

极地海域环境恶劣且冰情复杂，船舶需要足够的结构强度来保障航行安全。现有的极地船舶结构设计规范及监测指南中，通常考虑材料弹性阶段内的许用应力，并设置较高的安全裕量，使得强度设计结果过于保守。本文基于结构强度稳定综合理论和塑性破坏模型，针对极地船舶结构的极限承载能力进行分析，推导了结构塑性变形条件下，船冰碰撞区域典型结构的极限强度计算公式，利用有限元分析方法，建立了结构极限强度数值分析模型。通过对比理论与数值结果，发现理论计算公式具有较高的准确性，可以作为极地船舶结构极限承载能力的快速校核手段。此外，参照规范设计要求，应用极限强度理论计算模型，给出各冰级船舶冰带区肋骨间距布置的建议，可为极地船舶结构的极限强度设计提供参考。

本文基于近似屈服准则和理想刚塑性理论，推导出四棱台形冲头撞击下船用矩形夹芯板变形和冲击力理论解析公式，还开展了数值计算，以验证理论模型的准确性。在此基础上，采用理论模型分析了载荷分布情况、载荷作用位置以及边长比对船用矩形夹芯板冲击动态响应的影响规律。结果表明，四棱台形冲头撞击下，船用矩形夹芯板动态响应理论预测结果与数值计算结果吻合较好。载荷分布系数增加时，单位面积冲击载荷作用强度减小，导致塑性变形减小；冲击载荷作用位置越靠近边界时，塑性铰线长度增加，导致结构塑性变形显著减小；当泡沫夹芯板边长比为1时，冲击载荷作用下结构塑性变形最严重。

某些抗冲击性能薄弱的舰船设备具有以下特点：空间占比小、冲击载荷多变且较大、负载动态变化，并需要满足刚柔状态转换及被动式工作的隔振需求，而传统的隔振装置已无法满足这些需求。基于此，本文首先提出一种新型集成式双向隔振装置，并进行相应的结构设计；其次，建立隔振装置的动力学模型，预测其在复杂载荷作用下的动力学响应，并进一步探索频率和阻尼比对隔振装置抗冲击性能的影响；最后，搭建隔振装置试验台架，验证结构设计与理论分析的合理性。结果表明：冲击载荷与动态摇摆载荷的作用方向会影响隔振装置的抗冲击性能；同向作用会提升性能，反向作用会降低性能；随着频率或阻尼比的增大，隔振装置的抗冲击性能逐渐下降，因此需结合关键指标对其进行优化。隔振装置的试验测试结果曲线平滑无畸变，理论计算结果与其总体趋势基本相同，验证了结构设计与理论分析的合理性。本研究结果可为舰船抗冲击性能薄弱设备的隔振抗冲击设计提供有益指导。

目前，声比拟理论是流动声学领域中理论价值最重要、工程应用最广泛的理论体系。因此，在流动声学研究的第三个黄金时代来临之际，本文以声比拟理论的发展历程和典型应用为主线，围绕声比拟理论的三大核心问题（声源、声学变量和波动算子）对已有的研究工作进行回顾和总结，并在此基础上，从面向我国重大需求和立足人工智能时代两个方面对声比拟理论的未来研究进行了分析和展望。其目的是希望通过对声比拟理论的分析和总结，为感兴趣的学者提供一些有益的参考，同时能为一些工程问题的解决提供可能的思路。