本文针对多无人艇分布式目标跟踪控制问题进行研究。在跟踪非合作目标的场景下，只有部分个体能够获取目标的状态信息。为了实现对非合作目标的快速安全跟踪，本文提出一种基于动态面控制的固定时间跟踪控制方法。首先，设计一种运动学和动力学解耦的分布式目标跟踪控制结构，以降低控制系统设计的复杂度。其次，提出一种基于动态面技术的运动学控制律，其中包含跟踪点预分配策略和避碰势场函数，可在跟踪过程中避免碰撞并优化运动学控制输出。最后，提出一种固定时间分布式目标跟踪控制系统，实现运动学和动力学误差的快速收敛。仿真对比结果验证了本文所提方法在提高目标跟踪安全性和减少控制输出抖振方面的有效性。

为了分析规则波中潜航体水底压强场的变化规律，本文基于有限体积法数值求解规则波水底压强场、静水中潜航体水底压强场及规则波中潜航体水底压强场。通过在数值波浪水槽的边界附近区域添加动量源项迫使N-S方程的解趋向于波浪理论解，消除波浪反射等不利影响。基于层流模型、湍流模型和理想流体模型的计算均能较好地捕捉规则波的波形和水底压强分布，与实验测量值吻合较好。在潜航体水底压强场的计算结果中，湍流计算考虑流体黏性和边界层的发展，其在艇尾附近的水底压强预报相比于无黏计算更接近实验测量值。由于圆球的绕射作用，波浪中圆球水底压强场并非波浪水底压强场和圆球水底压强场的线性叠加。细长的潜航体对波浪的绕射作用较弱，波浪中潜航体水底压强场可近似认为是波浪水底压强场和潜航体水底压强场的叠加，进而可以大大简化波浪中潜航体水底压强场的计算和分析。

冰区航行船舶在极地运输和资源开采中发挥着关键作用。不同于现有的假定船舶静止的数值建模方法，本文采用动态重叠网格技术与DFBI（Dynamic Fluid-Body Interaction）方法实现船舶的自由航行，提出一种可模拟船舶穿越碎冰域航行的数值模型。该模型应用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法求解流场，并采用DEM（Discrete Element Method）模拟船-冰和冰-冰之间的相互作用。同时，本文还提出一种高精度的碎冰域生成方法，可与所提出的数值模型结合使用。通过将数值结果与模型试验数据及试验观测现象进行对比，验证了所提出数值模型的有效性，表明该模型在碎冰区航行船舶的阻力预报和航行过程数值模拟方面具有较强的能力，并具有良好的后续开发潜力和极区船舶碎冰区航行性能研究适用性。

当前，国际海事组织批准施行了船舶在恶劣海况中最小推进功率的评估要求，而其评估方法和相关影响因素将会对船舶设计和运营产生至关重要影响。另一方面，最小功率评估本质上是实海域操纵安全衡准问题。然而，现行导则中的评估方法尚未直接和准确地考虑恶劣海况中船舶的航向保持能力。作者在前期研究中提出了一种时域综合评估方法，在增加航向保持能力衡准后提供更为全面的评估。本文基于新数学模型和衡准准则针对该时域方法进行了更为详尽的阐述、结果展示和讨论，其中包括了该方法与基于导则/草案的最小功率线法及两种稳态平衡方法的比较分析，以及对于衡准条件和计算参数等关键影响因素的探讨。结果表明，不同方法在评估中表现出不同的优势和复杂度，共同形成了一种多层次的最小推进功率评估框架。其中，时域综合评估因能更准确地描述真实操纵运动而具有更高精度，同时可为无法满足其他评估要求或是补充航向保持能力评估的船舶提供解决方案。此外，扩大评估浪向范围提出了更为严格但可能必要的要求，而使用低航速自航因子可消除采用设计航速值时带来的不必要的保守度。

为准确预报冰区商船的主机油耗以及降低营运能效指数（Energy Efficiency Operational Indicator，EEOI），通过分析航行过程中的受力情况、船-机-桨的能量传递关系，采用Simulink构建多环境阻力、螺旋桨效率、主机功率、油耗、燃油消耗率和EEOI计算模块。考虑风、浪、冰的影响对航线进行航段划分，完成各航段主机功率、油耗和EEOI计算并进行航速设计优化。优化结果表明，在满足航行计划的要求下，船舶能效营运指数可降低3.114%，油耗减少9.17吨。

为了研究甲板带水时船舶的横摇运动，在运动方程中采用线性加平方型阻尼项。船舶模型试验表明，线性加平方型阻尼项在船舶横摇方程中保留了物理系统的关键动力学特性，为此倾向于采用该阻尼项。作为潜在混沌横摇运动（无规律摇摆）域的上限，本文采用一种基于梅尔尼科夫函数的新方法来建立船舶稳定性衡准。此外，开发的梅尔尼科夫衡准通过使用相平面图和庞加莱映射进行验证，本研究进行了系统改变横摇方程中系统参数的首次尝试。

本文探索高速弹体侵彻产生的水锤冲击载荷对蓄液结构产生的破坏以及防护技术。根据压力波在气液界面的反射、透射现象和气体的可压缩特性，开展蓄液结构弹迹上预置气泡对弹体侵彻及结构响应特性影响的数值分析。结果表明，当弹体轨迹上存在预设气泡时，会发生二次入水冲击现象，并产生二次入水冲击载荷；在预置气泡表面反射的稀疏波使初始冲击压力峰值的衰减率达到68.8%，总比冲量衰减率达48.6%；且气泡越大，弹体速度越高，载荷衰减效应越明显；由于气泡的可压缩性，前后壁板的整体变形衰减率可达80%以上；然而，气泡尺寸越大，弹丸速度越快，后壁板的局部变形衰减效应越小，后壁穿孔处的破坏越严重。

系泊缆绳张力是评价浮动平台系泊系统安全性和可靠性的重要参数，真实海洋环境下的系泊张力一直是系泊系统设计人员想要获取的重要数据。针对深海海洋环境下系泊张力需要长期连续监测的问题，本文研究出一种基于力学直接测量原理的系泊缆绳张力监测方法，并将研制的张力监测传感器在“永乐号”科学试验平台系泊系统上进行了安装应用。在1年使用期间，获得了大量实际海况张力监测数据，在1.24 m浪高下浮动平台系泊张力达到了16.5 t；通过频域和时域分析方法得到了系泊张力包含的波浪力、慢漂力和系泊缆弹性恢复力频谱特征，系泊缆弹性恢复力频率约为波浪信号的1/2；由于“永乐号”科学试验平台两个子模块之间为铰链连接方式，在时域上系泊力中的波浪力大于慢漂力，弹性恢复力最小。

船用高强钢作为一种典型的钢材，其疲劳问题一直受到学者们的重视。本文采用试验方法研究某船用高强钢的疲劳性能和裂纹扩展机理，首先开展不同应力比下高强钢的疲劳门槛值试验和疲劳裂纹扩展速率试验，分析应力比对船用钢疲劳特性的影响规律；其次，利用扫描电子显微镜分析高强钢裂纹扩展试样断面，揭示高强钢裂纹扩展及失效机理；最后，基于上述研究结果，从裂纹闭合和驱动力两个角度分析高强钢的应力比效应，并且考虑近门槛值阶段和失稳阶段的疲劳行为，建立船用高强钢疲劳裂纹扩展行为预报模型，通过试验数据验证模型的准确性。此外，通过与文献数据及现有模型的对比，验证修正模型对多种材料的适用性和出色的预测能力。

水下航行器从冰盖下方顶出冰层过程中所承受的冰载荷，是极地工程领域重点关注的问题。目前国内对此问题的研究尚不成熟，无论是机理性试验测量还是数值模拟计算都存在许多难点需要克服。本文以柱体水下垂向顶冰冰载荷为研究主题，在中国船舶科学研究中心小型冰水池内开展柱体顶冰机理性试验研究，采用高速摄像系统观测柱体顶冰过程中冰层破坏现象，可见以圆柱体破冰位置为圆心，产生局部的径向裂纹和环向裂纹。与此同时，使用有限元软件LS-DYNA对这一过程进行数值模拟，研究分析冰厚和上浮速度对冰载荷的影响。对不同工况下的计算结果进行统计分析，确定各因素对冰载荷的影响。本研究探索了柱体水下垂向顶冰的试验测量方法，测试结论可为冰区作业的水下航行器结构强度设计提供参考。

在过去的几十年里，船舶和结构在冰区的航行性能尚未得到充分研究，尤其是冰力学性质对破冰能力的影响。冰弯曲强度是预测船舶冰载荷的关键冰参数，准确的冰弯曲强度也是将模型试验结果回归实船的关键参数。然而，对模型冰弯曲强度的数值模拟研究往往被忽视。本文采用显式有限元法模型模拟冰悬臂梁试验，得到冰的破坏载荷和弯曲强度。本模型采用Tsai-Wu失效准则作为材料本构模型，通过冰水池中的模型冰试验获得所需的模拟参数。参数敏感性分析表明，模型冰悬臂梁尺寸对弯曲强度有显著影响。结果表明：在悬臂梁根部适当倒圆角有利于减小悬臂梁根部应力集中，获得更为准确的弯曲强度；悬臂梁的厚度、宽度和长度应符合一定的比例，与ITTC推荐参考一致。本研究结果可促进模型冰的试验和数值研究，为船舶设计和极地船舶操纵提供冰强度数据支持。

随着国际贸易活动的增加和极地冰盖的逐渐融化，北极航道对于海运的重要性随之凸显，而极地航行窗口期的预测是北极航道能否通航的关键，对航道的选择和航行的优化有着重要意义。本文从建立风险指标体系、确定风险指标权重、建立风险评价模型、窗口期预测算法四个方面进行介绍，介绍指标数据来源并分析自然因素和船舶因素数据获取的缺陷，介绍窗口期预报涉及的各种方法并分析其优势和缺点。应用风险量化评价以及窗口期算法可以为极地航行窗口期预测的研究提供参考。

针对传统磁流变阻尼器的断电后阻尼力过小以及易沉降等问题，本文设计并研制一种双向调节磁流变阻尼器，对其进行磁场仿真分析，并对其动力学特性进行仿真分析，最后在试验机上对其动力学特性进行试验测试，验证理论仿真结果，同时为后续的半主动振动控制系统提供试验数据。仿真和试验结果表明：该阻尼器内置永磁体可以达到双向调节的目的，其阻尼通道处在不施加电流时的磁感应强度为0.2 T，施加正向最大电流4 A时的磁感应强度为0.5 T，施加反向最大电流3.8 A时磁感应强度为0 T；当激励幅值为8 mm，频率为2 Hz，施加不同电流时，试验测试其最大阻尼力为8 kN、最小阻尼力为511 N、零电流下的阻尼力为2 kN，与仿真结果相近。本文可为相关的半主动磁流变阻尼器设计及研究提供参考。