半浸桨推进方式凭借其无空泡、低阻力、浅吃水和高效率等特点，成为高速船艇的主要推进方式之一。由于半浸桨一般在斜向流中工作，且存在桨叶出入水面，所以半浸桨在工作时会产生垂向力，该垂向力会对滑行艇的水动力性能带来不可忽视的影响。本文基于某断阶型滑行艇，通过数值计算和模型试验的方法，分析了半浸桨垂向力对断阶型滑行艇阻力性能影响进行了研究，并分析了垂向力对不同重心位置的滑行艇的阻力性能影响。结果表明，对于本文研究的滑行艇，半浸桨垂向力对滑行艇的阻力性能有着积极的影响。半浸桨垂向力的影响与滑行艇重心纵向位置密切相关，采用半浸桨推进的断阶型滑行艇，在设计上可以考虑将重心纵向位置向艉部进行调整，且半浸桨垂向力不宜过大。

准确的操纵运动预测对于水下自主航行器（AUV）的安全航行至关重要。为此，本文提出了基于岭回归模型约简的快速最小二乘支持向量机（LS–SVM）操纵运动预测方法。首先，引入岭回归算法，在传统水动力模型的基础上对加速度时序输入变量进行相关性分析，筛选出影响显著的水动力模型输入变量，从而降低模型计算复杂度。其次，针对LS–SVM算法核矩阵运算中维度高、计算复杂的问题，设计了改进拉格朗日函数以消除其中多余的方程偏置项，降低计算高维核矩阵的负载，进一步提升对AUV运动的预测速度。最后，通过基于REMUS模型的仿真试验案例分析得出结论：相较于依赖传统水动力模型的标准LS–SVM预测方法，本文所提出的策略可在保证预测精度的前提下，缩短29.8%的计算运行时间。

自主水下航行器（AUV）的性能在很大程度上受其外形设计的影响。本文提出了一种AUV外形优化方法，通过集成数据驱动与机器学习技术，重点关注头部与尾部线型以及鳍舵布局对AUV性能的影响。本研究开发了一个参数化的水动力分析流程，用于自动生成优化过程中所需的水动力参数。我们基于此流程，构建了一个数据驱动框架，用于实现AUV外形的多目标优化，目标是最小化阻力并最大化机动性。针对这两个优化目标，本研究分别采用多层感知器（MLP）神经网络和集成学习方法构建了代理模型，并将它们的性能与传统代理模型进行了对比。优化问题通过非支配排序遗传算法求解。对比分析初始与优化后的AUV外形表明，其水动力性能显著提升，从而证实了所提方法的可行性与有效性。

采用辨识得到的非参数模型对船舶运动控制参数进行整定。本文利用采集获得的船舶运动数据，应用局部高斯过程回归（Local Gaussian Process Regression，LGPR）方法对船舶运动进行非参数建模与预报。将控制参数的整定问题转化为优化问题，设计可以提高控制性能的适应度函数，并利用遗传算法（Genetic Algorithm，GA）对控制参数进行整定。仿真试验结果表明，本文所提出的方法在路径跟随与避障控制中具有良好的控制精度与动态性能。

Boussinesq型水波方程是近岸工程中广泛应用的一种波浪模型，其计算精度取决于方程基本性能，而方程的非线性应用上界一直是关注的重点内容。近年来，双层Boussinesq方程的理论性能、数值建模及应用均取得了较大的进展，然而其非线性上界是多少，尚未有文献给出答案。为此，本文通过遗传算法和牛顿法求解最高空间导数为3阶和5阶的双层Boussinesq方程的流函数，以确定其上界。并以同样的方法，求出了相应单层Boussinesq方程的流函数解。数值结果表明：最高导数为3阶和5阶的双层Boussinesq方程的非线性上界为H/L=0.137、0.138；与单层Boussinesq方程相比，双层方程在强非线性特征上具有更大的适用水深。本文提出的遗传算法和牛顿法相结合的方法，可为求解相关Boussinesq型水波方程的流函数波浪提供一定的参考。

针对无人艇路径规划中的路径冗余及算法执行时间长的问题，本文提出了一种融合北方苍鹰优化算法（NGO）与改进快速扩展随机树（RRT*）的路径规划方法。首先，设计具有避障及目标导向的适应度函数，并用该函数优化NGO初始种群，根据该适应度函数设计RRT*算法的自适应采样步长，提高在地图中的搜索效率；然后，设计最佳邻节点采样机制，该机制模拟北方苍鹰向最近同伴传递信息行为，结合无人艇航向角约束进行RRT*节点采样；最后，为提高路径平滑度，引入模拟退火算法中的Metropolis准则，并结合具有平滑度和最小路径曲率信息的适应度函数用于判断父节点优劣，设计动态重布线策略，该策略能够重新选择更合适的父节点进行动态重布线。实验结果表明，与RRT*、Informed–RRT*和RRT*–smart算法相比，本文改进算法在路径长度上分别缩短19.36%、3.36%和5.98%，搜索时间上分别减少49.33%、57.01%和59.16%，同时路径曲率也明显减小。

针对船舶航行过程航向易受外界环境扰动问题，本文提出一种基于非线性扩张状态观测器的改进非奇异终端滑模控制策略。首先，建立船舶航向系统非线性数学模型，设计了基于双曲正切函数的非线性扩张状态观测器，对船舶航行过程受到的外界扰动进行估计，并进行前馈补偿；然后，引入改进非奇异终端滑模面和双幂次趋近律，设计了改进非奇异终端滑模控制律，降低了滑模控制律抖振，提高了滑模控制律收敛速度，并将非线性扩张状态观测器和改进非奇异终端滑模控制律结合构成复合控制律；最后，基于李雅普诺夫稳定性理论对控制律的稳定性进行了分析。仿真结果表明，所提出的控制策略能有效提高船舶航向控制系统的跟踪性能和鲁棒性。

系泊系统的安全性是浮式海洋平台必须验证的关键性能之一，本文基于对装置轻量化、主动破断精确控制、避免测量干扰的要求，研制适用于海洋工程模型试验的主动式锚缆破断模拟装置，并对半潜型浮式风机平台，开展极端风浪流环境下的单根锚缆主动破断模型试验。结果表明，该装置能够基于张力阈值和定时判断触发，具有稳定性、准确性和实时性，能够有效捕捉系泊失效后浮式结构和系泊系统的动力响应全过程；在系泊张力最大值附近发生破断后，相邻的系泊锚链张力激增，安全系数急剧下降，平台发生远距离偏移和剧烈振荡，导致系泊系统的安全性和定位能力严重降低。

为探究箱型梁在循环中垂和中拱载荷作用下的累积塑性递增特征，研究箱型梁在递增塑性破坏下的极限强度衰减规律，本文在可替换试样极限弯矩试验设计基础上，创新性地设计了一种不间断循环弯矩加载的极限弯矩试验装置，开展了多种工况下的箱型梁四点弯曲极限强度试验。结合数值仿真，分析了循环载荷作用下箱型梁的累积塑性临界点、塑性累积变形以及中性轴高度变化的特征，研究了恒幅或变幅的转角载荷对箱型梁极限强度衰减的影响，从而确定了遭遇随机极端波浪载荷的船舶极限承载能力评估范围，以确保船舶在恶劣海况下航行的安全性与可靠性。

船舶结构会因极端或周期性载荷、腐蚀和侵蚀而失效，因此有必要对船舶进行结构健康监测（SHM），以确保船舶结构的安全性、可靠性和完整性，以避免重大事故的发生。位移重构是结构健康监测的主要目标之一，逆有限元法（iFEM）是一种用于板壳结构全场位移重构的结构健康监测方法。现有的逆有限元算法应用于大曲率曲面壳体，会出现单元翘曲问题而影响拟合精度。本文提出了一种改进逆有限元算法，该算法不改变单元本身的位移–应变关系，在不增加网格和节点数量的前提下，通过在单元高斯积分点上建立切平面坐标系，对单元刚度积分进行改进，提高逆壳单元的计算精度。数值算例结果表明，改进的逆壳单元能有效降低逆有限元重构后的位移误差。

大型海上浮式平台是一种特殊的海上结构物，其轴承销轴连接结构具有较好的灵活性和适用性，为了保证大型海上浮式平台连接系统在服役过程中的安全性，有必要对该连接系统进行疲劳寿命分析。首先，以含多组轴承销轴的大型海上浮式平台连接系统为研究对象，采用多种接触形式的非线性接触分析方法进行设计工况载荷下的总体强度研究。然后，根据该平台连接系统总体强度计算结果，选取板架结构应力较大部位为关键节点，并建立有限元子模型，计算这些关键节点的热点应力，最后，采用S–N曲线累积损伤法，对该平台连接系统局部结构在改进前后的疲劳寿命进行计算和分析。结果表明：含多组轴承销轴的大型海上浮式平台连接系统加载端最外侧轴承与板架连接部位的扁钢处疲劳寿命最低，而增加加载端最外侧轴承基座板架部分整体板厚，以及开孔附近板架和扁钢厚度可有效提高疲劳寿命。本文最终提出了一套含多组轴承销轴的大型海上浮式平台连接系统疲劳强度分析方法。

极地环境复杂多变且资料缺乏，铝合金多栖艇在极地航行时将经历低温环境下的波浪、碎冰区、冰雪面、冰水跨界面等四种界面的载荷作用，其疲劳损伤问题是结构强度设计的关键。本文基于有限元时域分析方法，对四种界面载荷作用下的艇体动力响应进行了计算，采用雨流计数法统计热点应力时历，按照Miner线性累积损伤理论计算累积损伤、疲劳寿命，同时还进行了损伤敏感性分析。开展了低温铝合金材料、焊接节点和实船节点疲劳试验，通过实验数据拟合出低温铝合金S–N曲线，通过实艇节点疲劳试验验证了该S–N曲线的可靠性。研究成果可用于低温环境下5059铝合金船体结构的疲劳评估。

由于夹芯板表皮面板和芯材的材料性能差异较大，因此在不同频段会分别表现出不同的振动特性，这导致夹芯板不同频段的隔声机制和隔声量计算方法也各不相同。本文先后采用适用于低、高频及全频段的夹芯板隔声理论计算方法，对夹芯板在不同频段的隔声性能和隔声机制进行研究。结果表明：夹芯板在低频段的隔声量主要由弯曲振动模式决定，在高频段的隔声量受法向纵波影响更大，而在中频过渡段，隔声量同时受到弯曲波和纵波作用的影响。随后进一步分析了芯材在高频段作为弹性基础时夹芯板面板模态造成隔声低谷的现象，研究了材料阻尼在不同频段对隔声量的影响，以及阻尼对隔声低谷现象削弱作用的机理。最后给出夹芯板芯材参数和板质量对其隔声性能的影响规律。

准确识别结构的远场辐射热点对振动声辐射控制具有重要意义。本文采用开源边界元程序获取圆柱壳的辐射阻抗矩阵，并提取出壳体的法向振速，基于奇异值分解获取了水下圆柱壳的非负声强和辐射声功率，获得了远场声辐射模式，并利用有限元软件进行了方法验证。在此基础上，讨论了激励力处存在大加筋对非负声强的影响。进一步，以声辐射功率最小化为目标，建立了有源控制的数学模型，分析了控制力对结构声辐射模式的影响，并利用非负声强分布揭示其影响机理。结果显示，降低辐射声功率必须改变结构表面的辐射模式；次级力控制结构振动声辐射的本质是使结构振动从强辐射模式变为弱辐射模式，降低结构的辐射效率。