基于升力面理论涡格法提出了一种适伴流最佳环量对转桨的设计方法。该方法首先建立了对转桨径向环量分布与推力、扭矩之间非线性关系的神经网络代理模型，其数据样本由涡格法计算得到；然后采用遗传算法，在给定总推力和扭矩平衡的约束条件下，以总效率为目标对前、后桨的径向环量分布进行优化；最后根据优化得到的最佳环量分布及指定的弦向负荷分布形式设计前、后桨的螺距分布及拱弧面。以高速水下航行体的对转桨为例进行研究，并用非定常RANS方法进行了自航模拟，验证结果表明，设计桨的自航点转速与原型桨基本相同，总效率和扭矩平衡度都有所提高。

在基于势流理论的螺旋桨升力面理论设计中，一般忽略桨毂的作用，限制叶根环量为零，在处理边值问题时仅考虑桨叶而忽略桨毂。本文将二维流动问题中的镜像法与升力面方法相结合，建立考虑桨毂作用的升力面理论设计方法，并使用该方法与忽略桨毂作用的设计方法分别对某船进行螺旋桨实例设计，比较两设计方案的几何形状、水动力系数以及压力分布。预报结果表明，在升力面设计中考虑桨毂作用对螺旋桨的水动力系数无明显影响，但其压力分布与设计目标更为吻合，同时有助于降低外半径导边处载荷，有利于推迟空泡初生。

采用重叠网格与滑移网格相结合的方法，研究在有来流情况下水下机器人的水动力性能和运动控制，通过运用PID控制方法对脐带缆和导管螺旋桨进行联合操纵，能够实现来流情况下的垂向升沉运动以及来流变化情况下水下机器人的深度保持，通过PID方法对尾部螺旋桨进行控制能够较好地调整水下机器人的纵倾角，实现定深情况下机器人姿态接近平衡，也能在升沉运动的复杂工况下使水下机器人全程保持给定的纵倾角度。

本文研究船舶动力定位（DP）系统中存在的推进器动态特性、模型参数不确定、推进器输入饱和及外部扰动未知等问题，提出一种基于有限时间指令滤波反步法的鲁棒自适应动力定位控制方法，该方法不仅具有滤波反步法的优点还能保证控制系统在有限时间内收敛。首先，采用神经网络技术对系统中的非线性项进行逼近；其次，设计有限时间辅助动态系统（FTADS）解决推进器输入饱和问题；最后，结合设计的神经网络估计值和FTADS，采用有限时间指令滤波反步法对控制器进行设计，利用Lyapunov稳定性理论证明系统跟踪误差和参数估计误差是有限时间收敛的。并对所提控制方法进行仿真实验，仿真结果表明所提出的控制器是有效性的。

近年出现的大型船型网箱的长度接近四百米，在波浪中会出现明显的弹性变形，而作用在网衣和钢架上的水动力也会增加结构分析的复杂性。本文提出一种时域分析方法，用于计算大型船型网箱的运动和结构响应。首先将网箱的大型浮体离散为多模块刚体，模块间利用等效弹性梁连接，并考虑网衣和钢架等非线性因素的影响，在时域内建立考虑浮体变形的浮式网箱动力分析模型，其中浮体的辐射载荷通过直接施加附加质量和势流阻尼计算或者采用状态空间法求解，网衣和钢架载荷则考虑了大型浮体扰动产生的绕射波和辐射波影响，采用莫里森方程计算。结果发现：网衣和钢架水动力对网箱的截面动力响应有明显的影响，而网箱的截面弹性对网衣张力也有一定的影响，这可为大型船型网箱的结构分析和截面设计提供借鉴。

可靠的试验数据对于探索风浪流海洋环境条件中浮式风机系统的性能至关重要。本文展示了在海洋工程水池中开展的1∶70缩尺比模型试验的结果，研究了12 MW新型半潜式浮式风机的运动性能。在试验中改善设计了带整流网的多扇叶大尺度造风系统，以提供稳定的试验风场。试验结果表明：风载荷主要产生静态作用，由响应均值的变化体现；而波浪参数的增大以动态影响为主，通过响应标准差的变化体现；气动阻尼效应主要表现在纵摇与纵荡耦合响应，以及纵摇固有运动频率处；水流显著减小了纵摇固有运动频率处的响应，但同时也会增大平台的纵荡和首摇响应。本研究为多种海洋环境作用下半潜式浮式风机的动力学行为提供了有价值的见解。

振荡水柱（OWC）波能转换装置具有结构简单、易于维护等优点，因此受到了全世界的关注。然而，该装置仍然面临着能量转换效率低和有效频带宽度窄等问题。本文对离岸双OWC阵列装置的波能俘获性能进行数值模拟研究。基于势流理论，在OWC波能装置气室的一阶和二阶自由表面边界上引入气动阻尼和人工阻尼，建立可考虑气液耦合的非线性气动模型。为了验证数值模型的准确性，进行水槽物理模型试验，并将数值结果与试验结果进行对比，发现两者吻合良好。研究结果显示：阵列装置之间的多重绕射波浪会导致装置的气室共振频率发生偏移；合理布置阵列装置有助于提升OWC波能装置的相对俘获宽度和有效频带宽度，最大可分别提升61.7%和24.5%。

为研究入水攻角对弹丸倾斜入水性能的影响，基于高速摄影技术开展多工况弹丸倾斜入水试验，研究入水攻角对弹丸入水空泡演化及运动的影响，并基于有限体积法及重叠网格技术建立弹丸倾斜入水数值方法，对比分析入水攻角为0°、±0.5°、±1.5°、±2.5°、±3.5°时弹丸入水运动稳定性及受力特性，并基于试验结果验证数值模拟的可靠性。研究结果表明：弹丸入水攻角为正时，弹丸入水后沿逆时针偏转并向上侧偏移；入水攻角为负时则沿顺时针偏转并向下侧偏移；入水攻角为零时弹丸运动比较稳定。随着入水攻角的绝对值逐渐增大，相同时刻弹丸偏移量及偏转角的绝对值均呈递增趋势，弹丸发生尾拍的时刻逐渐提前，且当绝对值相同时，入水攻角小于0°会使弹丸更快发生第一次尾拍，弹丸入水稳定性更差。受入水攻角影响，入水前期弹丸阻力及升力均会剧烈振荡，随着入水攻角逐渐增大，弹丸升力呈现递减趋势，而阻力受入水攻角影响不是很明显，只有在攻角为−3.5°工况下阻力较大。

针对复杂船舶结构“几何建模-结构分析-优化设计”相互割裂，交互繁琐低效，以及传统拓扑优化方法难于实现CAD和CAE无缝融合等问题，本文提出基于非均匀有理B样条（NURBS）的等几何参数化水平集结构拓扑优化方法，并用于二维和三维拓扑优化。对于三维复杂结构，将船舶结构数模浸入到三变量NURBS三维实体结构中，然后通过光线追踪算法来快速确定设计域、边界和载荷施加区域的相关单元、控制点等几何信息，进而建立基于NURBS和浸入方法的等几何参数化水平集拓扑优化方法。该方法克服了传统的等几何拓扑优化受限于规则NURBS拓扑的限制，可处理复杂CAD模型。数值算例表明相较于传统的等几何SIMP方法，该算法计算效率可提升30%以上。

软刚臂单点系泊系统是浮式生产储卸油装置（FPSO）的主要系泊方式之一，在风浪等环境载荷联合作用下，系泊系统的运动状态呈现出多自由度的高聚集度和模态混叠的动力学特征。本文针对传统聚类算法无法获得表征极端工况小聚类簇特征的难点，提出一种基于局部密度双向聚类算法（BCALoD）的软刚臂系泊系统的监测数据特征提取方法，对海量数据进行压缩和动力学分析。聚类结果表明：多数据簇聚类中心与普通工况下的系泊姿态对应，但是少数据簇聚类中心不仅含有极端工况下的系泊姿态，还含有普通工况下的系泊姿态。根据原始数据提取各聚类中心的时程数据，结合软钢臂单点多体动力学模型，计算各聚类工况下水平和垂直系泊力。基于聚类后的受力分析结果表明：聚类出的普通工况和极端工况的系泊力符合预期，尤其是发现了在系泊姿态正常行为下的极端受力状态，表征出软刚臂设计考虑的不足。表明本文聚类方法具有有效地提取软刚臂系泊系统危险工况的能力，分析结果显示不仅要重视极端姿态下的受力，还要关注姿态运动耦合产生的极端力。

随着交通运输业的高速发展，船-桥碰撞事故时有发生并带来相关人员生命、财产损失，船-桥防撞设施在保护桥梁结构的同时也能降低船舶的损伤。针对传统钢制套箱刚度大、防护位置固定等不足，本文基于梯形泡沫铝复合夹层结构设计自浮式新型船-桥防撞装置，通过有限元软件LS-DYNA建立考虑了桩-水-土耦合的船-防撞装置-桥墩碰撞模型，开展典型碰撞载荷作用的船-防撞装置-桥墩损伤特性研究，评估了不同的船速、船撞角度等因素下防撞装置的耐撞性能。结果表明，该防撞装置具备优异的缓冲、吸能特性，能有效降低碰撞力峰值，延长碰撞作用时间，在减小桥墩损伤的同时可以有效减小船艏结构损伤。

非粘结柔性软管作为海洋油气田与海上平台连接的重要枢纽，在海洋生产中起着至关重要的作用。抗拉铠装层作为柔性软管的主要承载部件之一，一旦出现失效将对管道系统的完整性产生威胁。因此，明确各类缺陷对抗拉铠装层力学性能的影响机理，并研究抗拉铠装层力学行为规律具有重要的理论意义和工程实用价值。本文采用数值模拟方法，研究含缺陷非粘结柔性软管抗拉铠装层的轴向压缩性能，建立五层非粘结柔性软管轴向压缩有限元模型，分别研究非金属层缺陷尺寸、层间摩擦系数和钢带断裂三种因素对柔性软管轴向压缩刚度和临界屈曲载荷的影响规律。研究结果表明，环空含水率上升引发的摩擦系数减小会显著降低临界屈曲载荷，非金属层缺陷和钢带断裂会显著降低轴向压缩刚度和临界屈曲载荷，因此，在工程中应重点关注环空含水率和各层结构完整性。上述结果可为柔性软管设计和完整性管理提供一定参考。

船舶推进器低频宽带激励及其声辐射的控制对其声隐身性能具有重要意义，本文对带前置定子的组合推进器低频宽带激励及其诱导的声辐射进行控制研究。从转子低频宽带激励理论预报模型出发，对转子宽带力受流场、几何以及工况等参数影响的规律进行系统的计算分析，提出转子宽带激励控制的三个方向：（1）改善湍流场，使之尽可能分布均匀；（2）改进转子几何设计，减小脉动载荷分量；（3）改进推进器各部件匹配设计，在相同的航速下降低转速。结合几方面研究成果，对组合推进器转子低频宽带力及其声辐射进行控制研究。研究结果显示，艇尾附体水动力外形优化、转子几何参数优选结合导管定子的增效设计，对转子低频宽带力及其声辐射的控制有一定效果，优化方案使转子低频宽带噪声峰值及积分值均下降3 dB左右。本研究可为船舶推进器低频宽带力及其诱导声辐射的控制提供一定参考价值。

水下航行器舷外排放形成了横流与射流相互作用的流体结构，横流中射流产生的流体动力学特性是流体领域的重要课题。本文基于雷诺平均与大涡模拟方法，建立横流中射流的数值计算模型，将时均速度与脉动压力结果与文献试验结果进行对比，验证计算方法的准确性。基于数值计算结果探究孔口上下游近壁面速度及涡量特性，分析孔口附近的声场特性。结果表明：孔口射流对上游边界层的影响体现在前6倍孔径范围内，孔口下游2~14倍孔径范围内发生流动分离；在横流与射流干涉作用下，孔口下游形成了反对称涡对的特征涡结构；反旋对称涡对形成于孔口下边缘附近，并在下游持续存在，其涡核沿流向距离增加逐渐远离壁面，影响区域逐渐扩大；横流与射流相互作用产生的主要声源位于壁面附近，孔口附近声源水平较高且存在脱离壁面的特征，孔口下游声压水平明显高于孔口上游相同位置，声场辐射与流向相关，存在明显的指向性特征。