本文以ITTC推荐的两船标准模型为研究对象，开展顶浪规则波中两船标模波浪干扰的数值模拟及对比试验。基于求解N-S方程的雷诺时均方法，建立水平系泊约束下两船波浪干扰及六自由度运动计算方法。以试验模型和系泊参数为输入，进行典型波浪工况下两船波浪干扰数值模拟，获得标模六自由度运动、两船间波面升高及系泊拉力等参数的时历数据，并与水池试验结果展开对比。结果表明，对比工况下（波浪周期为1.5 s）模型的纵荡、垂荡、横摇、纵摇运动和两船间波面升高的计算与试验结果均吻合良好。相对而言，横荡和艏摇运动的计算与试验结果存在较为明显的误差，这是由于这些运动是两船间波系干扰与系泊约束耦合作用的结果，多因素模拟误差叠加导致了计算精度的降低。

获取冰阻力在船体的分区特征是破冰船船型优化的基础，目前无论是实船测量还是冰水池模型试验均无法有效获取冰阻力在船体各部位的分区特征。为探究破冰过程中船体各部位承载的冰阻力大小，本文以“雪龙2”破冰船为研究对象，通过构建船-冰作用的离散元数值模型分析破冰过程中船体各部位承载的冰力。首先建立单元随机排布的层冰离散元模型，并针对北极海冰典型强度值标定模型细观参数；随后对使用离散元方法计算的“雪龙2”船体冰阻力值与Lindqvist经验公式计算结果进行比较。在此基础上，通过对船-冰作用过程中的冰力进行分区计算，获得船体各分区的冰力值。计算结果表明：破冰过程中船体冰阻力中破冰阻力占比较大，碎冰滑移产生的摩擦阻力相对较小，船体的冰阻力主要产生于艏部区域，并且艏柱处承受了较大的破冰载荷。本文建立的破冰船冰阻力分区计算方法可为冰区船舶基于破冰能力的船型优化问题提供技术支撑。

本文针对一型实际建造的碎冰区运输船，基于STAR-CCM+软件，采用CFD-DEM数值模拟方法，模拟其在碎冰航道中的航行过程，开展不同吃水工况对船舶阻力性能影响的研究。此外，利用CFD方法求解船与水的相互作用，DEM方法则被用于建立碎冰颗粒数值模型，对船-冰碰撞现象以及冰阻力性能进行数值模拟。结果表明：数值模拟的碎冰颗粒分布形态与汉堡冰水池试验现象相吻合，总阻力数值预报结果与汉堡冰水池试验结果差异较小，明显优于FSICR经验公式的预报精度，验证了该方法的可靠性；整船冰阻力随着吃水的降低未呈现单调下降趋势，在达到特定吃水时，整船冰阻力会显著上升；浅吃水时，尾倾变化对整船冰阻力影响较小，但对船体首部、两侧、尾部和底部四个区域所受冰阻力占比影响较大。

随着水产养殖装备从近海逐步走向深远海，全养殖水体约9万方的半潜柱稳式网箱“深蓝2号”应运而生。为研究其在定常风流及不规则波作用下的水动力性能与运动响应特点，结合WADAM、SIMO及RIFLEX求解器建立适用于网箱时域分析的数值模型。数值模型由“深蓝2号”主体结构的水动力模型、内外双层网衣及系泊系统的有限元模型耦合而成。通过面元模型和莫里森模型相结合的方式求解网箱水动力，采用有限元法对网衣及系泊系统进行时域分析，其中网衣波流载荷的计算基于Screen模型。时域耦合分析发现网衣对网箱水动力性能作用显著，不可忽视。网箱有网衣作用的最大系泊张力约为无网衣的两倍，水平漂移范围亦更广。网箱的波浪二阶差频力对系泊张力及水平漂移影响比较小。研究结果对此类新型网箱水动力性能的评估及优化具有技术支撑及借鉴意义。

为准确评估不规则海流载荷对半潜平台拖航作业安全性的影响，本文基于耦合时域分析理论和势流理论，通过半潜平台-拖缆-拖船耦合动力学模型，对相同波浪环境和拖航速度下不同的海流速度和流向角对半潜平台拖航运动响应及拖缆张力的影响进行分析。研究表明：风浪条件一定的情况下，海流速度和流向角对平台垂荡和纵摇影响较小，对横摇和拖缆张力影响较大；随着流速和流向角的增大，平台垂荡逐渐增大且增幅不断扩大；不同流速和流向角下的平台横摇和纵摇角都在±3.5°内波动；拖缆张力最大值在流向角90°时取得，因此拖航过程中应避免航向与流向呈90°夹角，且当流速达到1 m/s时不宜进行拖航。

本文对考虑内、外部流动的弹性管涡激振动（VIV）开展数值研究，分析不同外部剪切流速、内流速度和内部流体密度作用下弹性管的多模态耦合振动响应。首先，对所采用的数值方法进行网格依赖性研究和流-固耦合（FSI）可靠性验证；随后基于提出的耦合关联分析方法，结合3D位置-频率-能量（PFE）谱分析方法，阐述弹性管振幅波峰和波谷的空间多模态竞争特性。结果表明，内流流速和密度的增加均会放大弹性管的顺流向平均偏移，但内流的参与通常并不能有效改变其主振模态。此外，在弹性管的振幅波峰位置处通常表现为高阶主频响应，其振动轨迹具有明显的“8”字形特征；而弹性管振幅波谷位置处一般显现为低阶次频响应，多模态竞争现象显著，其振动轨迹相对混乱。

采用格子玻尔兹曼和大涡模拟相结合（LBM-LES）的数值方法，针对未简化的航母模型，模拟不同风速和风向角下的风场尾流。通过分析舰载机理想着舰轨迹上风场的分布特征，发现相同风向角、不同风速条件下，无量纲时均风速沿着舰轨迹具有相近的分布规律和大小，垂向分量呈典型的“雄鸡尾”式分布，下沉气流峰值约为来流速度的10%左右；相同来流速度、不同风向角条件下，左舷风时着舰轨迹受尾流影响范围明显大于右舷风时。此外，左舷风时着舰轨迹上的垂直速度以下沉为主，右舷风时既有下沉气流又有上升气流，但以上升气流为主。

倾斜平面与层冰作用是一个复杂的动态过程，具体可表现为剪切挤压、弯曲破坏、旋转浸没和滑移的周期性过程。鉴于该类结构物与冰相互作用过程的复杂性，为探究结构与冰作用过程及破冰模式，本文依托中国船舶科学研究中心（CSSRC）冰水池试验室，开展倾斜平面与层冰相互作用的机理性试验研究，采用高精度触觉式传感器和应变天平同时测量模型冰载荷分布和总体冰载荷，得到层冰与结构作用过程中倾斜平面的冰阻力特性和载荷时空分布特性，结合物理现象观测，分析倾斜平面与海冰作用的破坏过程及载荷分布规律。

浮式风机长期遭受海洋环境荷载影响，极易使系泊缆产生疲劳损伤，甚至断裂。基于S-N/T-N曲线法的疲劳强度评估存在无法考虑结构初始缺陷和计算离散性大等诸多不足；断裂力学方法可对含初始缺陷的结构进行剩余疲劳寿命评估。然而，大型结构的断裂力学法分析过程复杂、计算效率低，目前单一的通用软件难以实现从时域载荷分析到疲劳寿命的精准预报。本文构建疲劳裂纹扩展的PYTHON程序框架，基于断裂力学法联合SESAM、ABAQUS以及Franc 3D软件，开发系泊缆疲劳裂纹扩展程序，实现多海况下系泊缆疲劳裂纹扩展过程模拟。其次，基于系泊缆疲劳裂纹扩展程序以OC4半潜浮式风机1号系泊缆为例，进行锚链疲劳寿命的计算。最后，基于1号系泊缆的疲劳寿命计算结果，系统地探究裂纹初始位置、裂纹初始形貌等因素对裂纹扩展行为及疲劳寿命的影响规律。结果表明，系泊缆链环中冠段区域的裂纹扩展速率最快，疲劳寿命最短，分别约为弯曲段和直线段的74%和36%。初始裂纹的形貌对系泊缆疲劳寿命有着显著影响，初始裂纹尺寸越大，系泊缆疲劳寿命越短；初始裂纹长深比越小，系泊缆疲劳寿命越短。本研究工作可为浮式风机系泊缆的设计分析提供技术支撑。

聚氨酯材料（Polyurethane）制造的弯曲刚度加强件（Bend Stiffener，BSR）一般用于非粘结管道与端部的连接处，预报该区域的曲率分布是必要的。本文首先提出一种同时计及BSR材料应力-应变非线性与非粘结管道弯曲迟滞特性的曲率预报模型；然后使用非线性回归方法，辨识用于描述BSR材料的应力松弛行为的Prony参数，并将其代入曲率预报模型，使该模型可以考虑BSR材料应力松弛的影响效果；最终，本文提出针对BSR的优化准则，并对规则形状的BSR进行参数分析。

船舶航行时整体船体梁受到货物装载载荷、船底吃水静水弯矩与波浪弯矩等组合载荷联合作用，而其局部船体加筋板结构则承受面内纵向、横向与面外压力载荷等三向载荷联合作用。侧向载荷的大小不同程度地影响加筋板面内的纵向与横向承载能力，故需建立组合载荷共同加载条件下的加筋板极限强度相互关系式。本文以散货轮船底结构为研究对象，采用对称循环边界的双跨双弯几何范围加筋板模型，应用非线性有限元法分析实船连续船体结构遭受横向、纵向与侧向等组合载荷联合作用时的极限强度相互影响规律。通过研究发现，通常侧向载荷降低加筋板结构纵向与横向极限承载力，且板柔度越小则降低越大，同时建议分别通过增大型材尺寸与板材厚度提高侧压作用下的纵向与横向极限承载力，并提出组合载荷联合作用下的加筋板极限强度相互关系表达式。该方法可评估纵向、横向与侧向载荷联合作用下的极限强度相互关系，以开展复合载荷状态下的船舶加筋板结构强度设计的快速评估。

泵喷推进器在工作过程中会产生结构噪声。常规材料加工的泵喷推进器往往结构重量大，难以进行尾部配重。而使用复合材料的泵喷推进器结构不仅可以大幅降低整体重量，还具备良好的耐腐蚀性与抗疲劳能力。本文围绕泵喷推进器复合材料导管结构振动控制问题，开展基于宏纤维复合材料（Macro Fiber Composite，MFC）的结构振动主动控制系统构建及验证的相关试验建模、算法优化设计、硬件平台搭建与试验等研究。将遗传算法应用于线性二次高斯（LQG）控制器优化设计中，通过试验对优化前后的算法控制效果进行对比。针对复合材料导管搭建模型辨识平台与主动控制试验平台，通过实验建模的方法获得控制模型并在空气环境中进行了谐波激励下的振动主动控制试验，尝试将基于MFC的振动主动控制推向应用场景。

孔腔流动的线谱辐射噪声严重破坏舰艇声隐声性，其形成机理涉及流动模态、声学模态、声振耦合和流声耦合效应。本文基于CFD/CHA混合方法，数值模拟简单方腔和典型孔腔的瞬态流场、等效声源场、声学近场和远场，并通过与水洞实测数据对比验证数值方法适用性。本文归纳了孔腔流动模态和声学模态的特征规律，特别是定量计算了弹性壁面声振耦合效应和典型孔腔声腔复杂性对声学模态频率的影响；总结了远场辐射噪声频谱中，第一阶声学模态效应线谱成为“决定性线谱”的重要规律；分析了实际孔腔的声学模态频率大幅向低频偏移的趋势，从而显示了采取措施避免流声共振的必要性；通过解析求解，定量建立了相关水洞声学实验的截面积比必要条件，对实验模型设计具有重要指导价值。

现代舰船推进轴系的结构设计较为复杂，结构尺寸是影响其回旋振动特性的一项重要因素。本文以某舰船复杂推进轴系为研究对象，研究轴段空心度变化对轴系回旋振动特性的影响。基于有限元法建立轴系回旋振动分析模型，并在初始空心度下分析轴系的回旋振动特性；在此基础上，通过强度校核确定空心度的取值范围，以艉轴和螺旋桨轴空心度为变量，分析了艉部轴段空心度变化对轴系回旋振动临界转速的影响规律，并结合轴系校中的衡准要求进一步细化了空心度的取值范围。研究成果可为舰船推进轴系设计过程中的结构设计和回旋振动控制提供参考。

球阀流致振动是液体管路系统振动噪声的主要来源之一，掌握球阀流致振动特性是液体管路系统振动噪声分析、低噪声设计及控制的关键前提。本文以球阀为研究对象，采用三向弹簧与梁单元模型模拟球阀进出口法兰端面弹性边界条件，以实测干湿模态数据为基准进行边界约束刚度反演与修正，建立实际安装条件下球阀边界约束模型。在此基础上，基于有限元方法和计算流体力学理论进一步建立球阀流致振动计算模型，研究不同质量流量与不同开度瞬态工况下球阀流场与结构振动特性。结果表明：采用三向弹簧与梁单元模型能够较好地模拟液体管路球阀实际安装边界条件；随着球阀开度减小或质量流量增加，流场的扰动更加明显，各测点位置的振动加速度级均有所增大。